中科院金属所《JMST》： 年轻化金属玻璃中出人意料的蠕变行为！

　　金属玻璃作为一类新型材料，因其独特的微观结构和优异的性能而受到全世界的关注。与晶体材料不同，晶体材料以直接控制其微观结构来获得所需的性能(例如，晶粒细化和固溶体)。而金属玻璃具有无序的原子结构，没有可行的方法来操纵其微观结构以获得所需的性能。从能量景观角度来看，金属玻璃的能量状态取决于它们的加工历史(如冷却速度)，从而导致相应的微观结构和性能变化。性能与能量状态之间的相关性使得通过优化工艺路线可以探索金属玻璃性能与微观结构之间的相互作用。

　　在高温环境和高精度设备中使用的结构材料的蠕变性能至关重要。包含位错和晶界的多晶材料，如钢、镍合金、铝合金和钛合金的蠕变行为已经得到了广泛研究。由于对蠕变过程中微观组织的直接观察和精确表征的进步，已经建立了相应的常规结晶金属变形机制图，包括位错蠕变、Nabarro-Herring蠕变、Coble蠕变、和位错攀移蠕变。然而，对于缺乏位错和晶界的金属玻璃的蠕变行为实验研究有限，并且由于难以直接表征变形诱导的微观结构演变，其潜在机制亟需阐明。金属玻璃原子通过自由体积扩散和应力诱导剪切变形在蠕变过程中起关键作用。一般来说，自由体积越大或堆积结构越松散的铸态金属玻璃表现出更大的蠕变速率，这是由于较大的初始自由体积产生了更多的剪切转变区。同样，退火后的金属玻璃表现出更好的抗蠕变性能和激活体积更小的剪切转变区。尽管如此，金属玻璃的结构和性能之间的复杂关系尚未被完全理解，因此微观结构对蠕变的影响以及潜在的微观过程仍是本领域的疑难杂症。年轻化将金属玻璃带入更高的能量状态，为探索其变形行为提供了一种新的方法。

　　基于此，中国科学院金属研究所的潘杰研究员团队通过退火和年轻化来调控金属玻璃的能量状态。令人惊讶的是，年轻化金属玻璃的蠕变位移和稳态蠕变速率明显低于铸态金属玻璃。这一意想不到的现象与传统观念相矛盾，即越硬的材料表现出更好的抗蠕变性。进而，他们讨论了这种意外蠕变行为的潜在机制。相关论文以题为“Unexpected creep behavior in a rejuvenated metallic glass”发表在Journal of Materials Science & Technology上。

　　图1 (a)铸态、退火态和年轻化Zr69.5Cu12Ni11Al7.5金属玻璃试样示意；(b)不同样品的XRD图谱和(c) DSC曲线不同能量状态金属玻璃的(a)P-h曲线；(b)显微硬度和纳米硬度；(c)硬度随应变率的演化；(d)应变率敏感系数和激活体积随弛豫焓的演化。

　　图3 不同能量状态金属玻璃的(a)蠕变曲线；(b)蠕变率；(c)不同加载速率下的蠕变位移和(d)稳态蠕变速率。

　　综上所述，作者采用纳米压痕和单轴压缩的方法系统研究了Zr69.5Cu12Ni11Al7.5金属玻璃在不同能态下的蠕变行为。实验结果表明，年轻化金属玻璃具有较低的应变率敏感系数和较大的剪切转变区体积，其变形能力增强。令人惊讶的是，在极高能量状态下，年轻化金属玻璃的蠕变位移和稳态蠕变速率比铸态金属玻璃小，与弛豫态金属玻璃相当。此外，单轴压缩蠕变试验也验证了年轻化金属玻璃的蠕变性能得到改善。年轻化金属玻璃具有优异的蠕变性能是由于蠕变过程中发生了应变硬化，导致蠕变后试样的硬度、杨氏模量和密度增加，弛豫焓降低。相反，铸态和退火金属玻璃的蠕变过程中应变软化占主导地位，伴随着杨氏模量和密度的降低和弛豫焓的增加。以上研究结果表明年轻化可以有效地提高金属玻璃的蠕变性能，同时避免结构弛豫引起的脆性。研究结果为理解金属玻璃的变形机制和年轻化行为提供了进一步的理论指导。（文：Keep real）