西工大《JMST》：通过蠕变深入了解金属玻璃的热效应和力学效应！

金属玻璃(MGs)由于独特的短程有序和长程无序结构，与晶体相比表现出特殊的物理、化学和机械性能。近年来，大量的实验、计算和理论研究表明，MGs的结构不均性源于其不均匀的原子结构，与其玻璃化转变、机械弛豫和结晶行为等性能密切相关。这使得对结构异质性特征的研究具有重要意义。对非晶合金变形过程的合理描述需要充分而准确地引入动态非均匀性，动态非均匀性通常由相应变形单元的激活能或弛豫时间的广泛分布来表示。蠕变，即在恒定应力下加载材料，同时跟踪应变响应，已被证明是表征MG合金动态非均匀性以及微观结构非均匀性分布的有力工具。深入研究MG合金的蠕变行为，不仅有助于理解其玻璃化转变、变形和结构弛豫行为，还对提高工程材料的使用性能具有重要意义。

西北工业大学的研究人员通过不同退火时间和不同加载恢复周期两种蠕变条件，研究了Cu₄₆Zr₄₆Al₈金属玻璃的变形和弛豫行为。比较讨论了不同条件下的蠕变位移、能量势垒分布、拉伸参数β_KWW、特征弛豫时间τ_i和强度ε_i。相关论文以题为“Comprehensive insights into the thermal and mechanical effects ofmetallic glasses via creep”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.036

本研究采用铜模吸铸法制备典型Cu₄₆Zr₄₆Al₈块状MG，通过高真空熔体旋压法制备了宽度约1mm、厚度约30μm的MG带。采用两种实验条件，(1)退火试验中，将MG带在510K温度下进行拉伸蠕变试验，试样在同一温度下经过不同退火处理(0-240min)，退火后，对试样施加200MPa的恒定拉应力，每次蠕变试验持续105s。(2)循环蠕变试验中，建立4个加载循环，每个加载循环持续334min，在加载循环之间恢复周期不同(0-240min)。

研究发现在热处理和循环加载过程中，通过活化能和弛豫时间谱幅值的减小，以及β_KWW值的增大，发现了局部变形单元的湮没。随着变形单元的逐渐减少，MG合金的抗变形能力逐渐减弱，最终达到结构更加稳定的状态。但与退火处理不同的是，在循环加载过程中，变形单元并不是永久消失的，在去除外加应力后，变形单元可以逐渐恢复，这表明热处理和机械处理对MG的影响有明显的差异。

图1 (a)在恒定温度T=510K和固定应力σ=200MPa下，蠕变应变随退火时间的变化；(b)归一化激活能随退火时间的变化

图2 (a)由弹性矩阵和分散变形单元组成的MGs示意图；(b)包含一个麦克斯韦单位和多个连续开尔文单位的广义开尔文模型示意图

图3 (a) Cu₄₆Zr₄₆Al₈MG在恢复时间为60min时的循环蠕变曲线；(b) MG的恢复曲线；(c)第三加载阶段蠕变应变随时间的变化规律；(d)第三卸载阶段恢复应变随时间的变化规律

图4 金属玻璃的热弛豫和机械弛豫示意图

本研究通过热处理和循环加载下的蠕变试验，探讨了MG合金的变形和弛豫行为。通过实验测量和理论模型对MG合金蠕变过程中微观结构引起的动态非均匀性进行了深入研究。在广义开尔文模型的框架下，进一步利用弛豫时间谱定量描述了MG合金蠕变过程中的时间尺度。本文有助于阐明热处理和循环加载过程中变形单元的激活和演化，提供了一种除传统的DMA和应力松弛外定量研究MG合金内在动态非均质性的替代方法。（文：破风）