Omar Adjaoud达姆施塔特工业大学Acta Mater.：分子动力学模拟微观结构对金属纳米玻璃塑性变形行为的影响

【引言】

金属纳米玻璃是纳米尺度上玻璃态材料。纳米玻璃颗粒冷压实后，可以获得玻璃-玻璃界面连接形成的金属纳米玻璃。最近，计算机模拟和能量色散X射线光谱方法证明，晶粒内部和界面之间存在成分梯度。金属纳米玻璃性质与玻璃-玻璃界面密切相关，但是结构无序和界面宽度窄，加剧了研究难度。模拟金属纳米玻璃的变形机理发现，晶粒尺寸影响塑性响应，结构从非定域变形到剪切带的过渡。玻璃-玻璃界面的缺陷短程有序充当了剪切转变区的成核位点。在纳米玻璃制备方面，即颗粒的惰性气体冷凝和冷压实，预测玻璃-玻璃界面中的缺陷短程有序也受到了变形过程的影响。本文通过分子动力学研究发现，玻璃状颗粒固结后，纳米玻璃界面是接触区域中拓扑不匹配和剪切过程，这种粒子衍生模型明显不同于现有的体相衍生微观结构模型。本文也分析了金属纳米玻璃的整体变形行为与微观结构和界面特性的相关性。

【成果简介】

近日，德国达姆施塔特工业大学的Omar Adjaoud（通讯）作者等人，采用分子动力学模拟方法，研究了微观结构对Cu₆₄Zr₃₆纳米玻璃塑性变形行为的影响。分析了两种制备纳米玻璃的方法：一种是化学均匀和不均匀的纳米颗粒冷压获得的纳米玻璃；另一种是体相衍生的多面体组装而成的纳米玻璃。对两种类型的微结构研究发现，颗粒衍生的纳米玻璃的界面体积分数明显高于体相衍生的纳米玻璃的界面体积分数。两种玻璃的单轴载荷具有不同的塑性响应：颗粒衍生的样品在屈服时，没有应力下降，应变局部化非常小和没有应变软化；大块衍生的样品出现应力下降，应变软化和大的局部应变。这与两种玻璃的玻璃-玻璃界面结构的不同类型有关。因此，金属纳米玻璃的宏观变形行为与玻璃-玻璃界面结构和拓扑结构密切相关，而玻璃-玻璃界面的结构和拓扑结构又与加工工艺有关。相关成果以“Influence of microstructural features on the plastic deformation behavior of metallic nanoglasses”为题发表在Acta Materialia上。

【图文导读】

图 1 纳米玻璃的加工

（a）惰性气体冷凝制备直径6-8 nm Cu₆₄Zr₃₆玻璃状颗粒；

（b）是（a）在[50] K下，施加5 GPa的压力冷压玻璃状颗粒衍生的纳米玻璃；

（c）块状Cu₆₄Zr₃₆玻璃切割的多面体玻璃状颗粒；

（d）在与玻璃状颗粒相同的条件下，(c)多面体玻璃状颗粒压实获得块状衍生纳米玻璃；

（e）均匀的玻璃球产生的均匀纳米玻璃；

（f）随机除去颗粒衍生的纳米玻璃内部中约10％的原子，获得的软颗粒纳米玻璃。

图 2 在各种纳米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的晶粒内部和界面中，二十面体的分数对比图

图 3 在拉伸变形过程中，均匀和非均匀颗粒衍生纳米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的应力-应变曲线

图 4 各种纳米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的应力-应变曲线分析

（a）各种纳米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的应力-应变曲线；

（b）各种纳米Cu₆₄Zr₃₆玻璃拉伸变形期间，应变局部化参数Ψ的程度；

（c）样本中最大应力和二十面体分数之间的相关性。

图 5 在12％总应变下，在单轴拉伸下，块状Cu₆₄Zr₃₆玻璃样品变形形成的剪切带

图 6 Cu₆₄Zr₃₆颗粒衍生的和块状衍生的纳米玻璃的局部原子von Mises剪切应变图

图 7 在10％von Mises剪切应变应变下，软质颗粒内部的局部原子剪切应变的分布图

【小结】

本文发现金属纳米玻璃的微观结构取决于加工工艺。虽然块状衍生和颗粒衍生的纳米玻璃都具有由玻璃-玻璃界面连接的微观结构，与体相的纳米玻璃相比，颗粒衍生的纳米玻璃中的界面的体积分数明显更高。因为在加工过程中，塑性剪切的原子比例较大，填充玻璃状颗粒之间的孔隙。此外，与体相衍生的纳米玻璃相比，颗粒衍生的纳米玻璃的颗粒内部也伴随着结构变化。本文研究发现颗粒衍生的纳米玻璃的异质性对变形行为没有影响。

玻璃-玻璃界面带有缺陷的短程有序结构。纳米Cu₆₄Zr₃₆玻璃中的二十面体具有高堆积密度的网络和高抗剪切性。因此，颗粒内部的二十面体分数导致剪切变形区的活化屏障较低。因此，纳米玻璃的最大应力随着二十面体分数的减少而减小，而二十面体分数又取决于界面的体积分数。本文在颗粒衍生的纳米玻璃和大块衍生的纳米玻璃的颗粒内部创建了缺陷的短程有序结构，即一种柔软颗粒内部的纳米玻璃。研究发现，软颗粒内部纳米玻璃对外部载荷有响应，金属纳米玻璃的变形行为与界面的体积分数有关，而界面的体积分数与加工路线有关。

文献链接：Influence of microstructural features on the plastic deformation behavior of metallic nanoglasses（Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.033）。

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。

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