宁波材料所《JAC》： 剪切带形核动力学角度揭示金属玻璃结构弛豫诱导的韧脆转变

　　金属玻璃作为一种典型的非晶态材料，具有高弹性、高强度、耐腐蚀、耐摩擦等优异的力学性能，引起了人们的广泛关注。然而，有限的宏观塑性及灾难性的脆性断裂限制了金属玻璃的工业应用。为了提高金属玻璃的塑性，大量实验策略如调整化学成分、调节微观结构非均匀性、引入第二相等。这些策略的核心基本概念是激活大量剪切带。因此了解剪切带的成核机制对于提高塑性变形能力和设计具有优异力学性能的新型金属玻璃至关重要。另一方面，在一定温度下力学性能的演变是制约金属玻璃实际应用的关键因素。特别是由结构弛豫引起的塑性-脆性转变通常是由多个剪切带向单一主剪切带的转变，这一点目前尚不清楚。显然，研究剪切带的微观形核机制和结构弛豫效应对于理解各种变形行为具有重要意义

　　基于典型的剪切转换区模型，在外应力作用下，一系列剪切转换区的激活和聚结诱导了非晶态材料中剪切带的成核。剪切转换区的活化和凝聚通常被认为是一个两步过程：第一步是流动诱导的均质膨胀过程，第二步是通过施加剪切应力，剪切转换区随后缩小成纳米级剪切带。因此剪切转换区可以被视为剪切带形核位点，不同应力和退火状态下剪切转换区的动力学是微观剪切带形核和金属玻璃宏观塑性变形的关键。研究发现，剪切转换区的激活类似于金属玻璃中β弛豫的激活，这表明剪切转换区的激活和剪切带的成核应该遵循一个热激活过程。与此同时，金属玻璃中固有的非均匀结构是剪切转换区和β弛豫事件的结构起源。结构弛豫通常会引起非均匀结构的较大变化，进而引起相应的力学性能变化。

　　图1 (a)在327℃下不同退火时间的DSC曲线；(b) 恢复焓随退火时间的演化。

　　图2 (a)不同退火时间下的应力-应变曲线； (b) 塑性应变随退火时间的演化。

　　图3(a) 加载速率为1 mN/s时铸态试样的纳米压痕位移-加载曲线；首次Pop-in事件的(b)负载分布、 (c)累积分布和(d)概率分布。

　　图4 (a)不同退火样品首次Pop-in事件累积分布；(b)不同退火样品的三维概率密度函数；(c)控制形核位点载荷随恢复焓的演化；(d)形核点概率密度函数峰值随退火时间的演化。

　　总之，作者系统地研究了金属玻璃在不同退火状态下的热力学行为、宏观压缩行为和剪切带形核动力学的演化。研究发现，金属玻璃存在一个由塑性变形到脆性变形的临界退火状态，相应的剪切带形核位点也发生了由低载荷形核位点向高载荷形核位点的转变。该研究为理解金属玻璃力学行为随外部条件的演化提供了新的视角，有助于揭示金属玻璃力学性能演化与结构弛豫之间的关联。（文：Keep real）