金属玻璃二次弛豫与塑性起源

上海大学与香港城市大学研究组合作利用动力学谱发现了普遍存在于金属玻璃中的二次弛豫，并揭示了其与玻璃合金脆-塑性转变和塑性起源的关系。国际学术期刊《Materials Today》¹以研究论文的形式于2017年6月9日在线发表了这一研究新进展。该项工作是他们于2015年7月在《Nature Communications》²上发表了关于金属玻璃二次弛豫重要研究成果后，所取得的另一极其重要的进展。上述工作的第一作者是上海大学材料研究所非晶合金研究组王庆博士，通讯作者是香港城市大学先进结构材料研究中心杨勇副教授³和吕坚教授⁴。

在非晶凝聚态物理和材料科学领域，人们普遍认识到玻璃固体的弛豫谱与其无序结构特征和形变行为之间存在着本征联系；然而对金属玻璃而言，该内在关联关系的建立及其背后的物理本质仍然远未澄清，这使得人们在深入认识金属玻璃的结构动态不均性和塑性形变起源时面临很大的挑战。

在前期研究金属玻璃动态弛豫行为中²，他们首先发现一种Ce-La块体金属玻璃动态弛豫谱在不同温区呈现两个动力学特征明显不同的二次弛豫（图1）。与已报道的金属玻璃二次弛豫动态力学谱相比较，首次被他们发现的呈现在低温区的二次弛豫是一种相对快速的低能驱动过程，因而被命名为“快二次弛豫”。其驱动能为约为前期发现的慢二次弛豫驱动能的一半。在最新的工作中，他们则进一步系统研究了不同体系金属玻璃合金的动态弛豫谱，证实了在玻璃转变温度以下，快二次弛豫在金属玻璃中普遍存在性。人们通常认为具有更高驱动能的慢二次弛豫与金属玻璃的剪切转变区(shear transformation zone)和屈服 （yielding）等相关联，并涉及原子断键过程。而他们发现低能驱动的快二次弛豫则与金属玻璃的滞弹性(anelasticity)建立相关性。相对而言，这种约束度更高的弛豫过程对局域原子堆垛或动性更为敏感，而随金属玻璃结构中原子键化学特性变化不明显（图2）。

通过比较系统分析不同塑性和脆性金属玻璃快二次弛豫的动力学特征，王庆等人发现金属玻璃的塑性与包含“快二次弛豫”的弛豫谱有很强的相关性 (图3，4）。进一步，他们通过低温压缩实验证实了完全激活快二次弛豫会诱导多重剪切带的形成，从而让金属玻璃呈现独特的在低温区的塑性-脆性转变（图5，6）。上述发现不仅有助于理解金属玻璃动态结构不均匀性，也将有助于完整建立并揭示金属玻璃弛豫谱与其力学行为，包括滞弹、屈服至稳态塑性流变的相关性的物理本质。

图1　Ce-La块体金属玻璃动态弛豫谱在不同温区呈现两个动力学特征明显不同的二次弛豫

图2　不同金属玻璃体系的“快二次弛豫” 的激活能对玻璃转变温度不敏感

图3 通过“归一化”比较发现，脆性金属玻璃较难激发“快二次弛豫”塑性金属玻璃较易激发“快二次弛豫”

图4 脆性金属玻璃的可动原子团簇较大而动力学不均匀性较弱 而塑性金属玻璃的可动原子团簇较小而动力学不均匀性较强

图5 在不同温度下Ce-基金属玻璃的压缩曲线，在低温区发现压缩塑性和多重剪切带。压缩塑性取值于最大应力开始下降的拐点处 （类似的结果也在Zr基金属玻璃发现）

图6  压缩塑性与“快二次弛豫”的温度相关性高度关联

1.Q. Wang, J.J. Liu, Y.F. Ye, T.T. Liu, S. Wang, C.T. Liu, J. Lu,Y. Yang,  Universal secondary relaxation and unusual brittle to ductile transition in metallic glasses,Materials Today, (2017) http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2017.05.007.

2.Q. Wang, S.T. Zhang,Y. Yang, C.T. Liu, Y.D. Dong, J. Lu,Unusual fast secondary relaxation in metallic glass, Nature Communications, 6, 7876, 2015.

杨勇副教授研究组网页：http://www6.cityu.edu.hk/stfprofile/yonyang.htm

吕坚 教授 研究组网页：http://www.cityu.edu.hk/vprt/prof-jianlu-bio.htm

本文材料由上海大学与香港城大课题组提供，在此表示感谢。材料牛编辑背逆时光编辑。