Comm.Mater. 柳林等工作:電遷移效應抑制金屬玻璃剪切帶形成

2021-02-25 非晶合金


責編 曉  丹

和內部原子呈周期性排列的傳統金屬材料不同，金屬玻璃內部原子呈無序密堆特徵，是一類具有「長程無序、短程有序」原子結構的新型金屬材料。因此，金屬玻璃內部不存在常見的晶界和位錯等結構缺陷，而這些缺陷的運動是傳統金屬材料發生塑性變形的核心機制。儘管金屬玻璃內部原子之間也是金屬鍵結合，但卻無法像傳統金屬一樣具有優良的室溫延展性和塑性變形能力。在室溫下，金屬玻璃塑性變形的主要特徵是形變局域化，其變形通常集中在厚度為10-50nm的剪切帶內部並伴隨剪切軟化發生。尤其是在拉伸條件下，剪切帶形成之後，會迅速擴展並誘導宏觀脆性斷裂，使得金屬玻璃幾乎沒有均勻拉伸塑性。因此，如何理解金屬玻璃以剪切局域化為核心的室溫塑性變形機制，一直是金屬材料領域的基本科學問題。

近來，華中科技大學柳林教授和諶祺副教授團隊通過在Zr55Cu30Al10Ni5(Zr55)金屬玻璃拉伸變形過程中巧妙的引入脈衝電流，成功抑制了Zr55金屬玻璃的剪切形變局域化，使其在遠低於其玻璃轉變溫度的條件下發生了均勻變形並表現出縮頸現象。相關研究成果以「Expanding the homogeneous regime of deformation in bulk metallicglass by electromigration-induced rejuvenation」為題於2020年7月17日在《通訊·材料》(CommunicationsMaterials)上發表。

研究人員通過與常規加熱條件下的拉伸實驗對比發現，在電流激勵拉伸變形過程中，電流的電遷移效應，即：沿電流反方向的電子運動導致的原子擴散，致使金屬玻璃發生動態回春(Dynamic Rejuvenation)，擴大了金屬玻璃的基本變形單元-剪切轉變區，從而促使金屬玻璃發生均勻拉伸變形；而電流產生的焦耳熱，並非金屬玻璃發生均勻變形的關鍵因素。根據金屬玻璃在「應變速率-溫度」空間上的變形圖譜（Deformation Map）進行定量分析發現，電遷移效應相當於約0.15Tg（Tg為玻璃轉變溫度）的等效溫升。這一結果表明，電遷移效應抑制了金屬玻璃剪切帶的形成，顯著的擴展了金屬玻璃發生均勻形變的溫度範圍。電遷移效應通過優先驅動金屬玻璃內部原子密堆區域的原子擴散運動，促使金屬玻璃發生動態回春，從而導致金屬玻璃在塑性變形過程中發生均勻變形。本研究成果不僅有助於更好地理解金屬玻璃的塑性變形機理和金屬材料「電塑性效應」的本質，還為通常只能進行傳統「熱塑性」成形加工的金屬玻璃提供了新的成形手段，有望有效地推動金屬玻璃的工業應用。

該項工作得到了國家自然科學基金、華中科技大學自主創新基金、材料成形與模具技術國家重點實驗室開放基金項目的支持。

聯繫電話：19106233377

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