《通訊•材料》刊發(fā)我院柳林教授團(tuán)隊(duì)合作研究新成果
2020年7月17日，《通訊?材料》刊發(fā)了關(guān)于電遷移效應(yīng)抑制金屬玻璃剪切帶形成的最新研究成果“Expanding the homogeneous regime of deformation in bulk metallic glass by electromigration-induced rejuvenation”。上述論文由華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心（簡(jiǎn)稱強(qiáng)磁場(chǎng)中心）、材料學(xué)院，暨南大學(xué)和中科院物理所共同完成。華中科技大學(xué)為第一完成單位，強(qiáng)磁場(chǎng)中心諶祺副教授和暨南大學(xué)張猛副教授為論文共同第一作者；材料學(xué)院柳林教授，強(qiáng)磁場(chǎng)中心韓小濤教授，以及中科院物理所汪衛(wèi)華院士為論文共同通訊作者。
研究背景
和內(nèi)部原子呈周期性排列的傳統(tǒng)金屬材料不同，金屬玻璃內(nèi)部原子呈無序密堆特征，是一類具有“長(zhǎng)程無序、短程有序”原子結(jié)構(gòu)的新型金屬材料。因此，金屬玻璃內(nèi)部不存在常見的晶界和位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，而這些缺陷的運(yùn)動(dòng)是傳統(tǒng)金屬材料發(fā)生塑性變形的核心機(jī)制。盡管金屬玻璃內(nèi)部原子之間也是金屬鍵結(jié)合，但卻無法像傳統(tǒng)金屬一樣具有優(yōu)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征是形變局域化，其變形通常集中在厚度為10-50 nm的剪切帶內(nèi)部并伴隨剪切軟化發(fā)生。尤其是在拉伸條件下，剪切帶形成之后，會(huì)迅速擴(kuò)展并誘導(dǎo)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(jī)制，一直是金屬材料領(lǐng)域的基本科學(xué)問題。
研究過程
團(tuán)隊(duì)通過在Zr55Cu30Al10Ni5 (Zr55)金屬玻璃拉伸變形過程中巧妙的引入脈沖電流，成功抑制了Zr55金屬玻璃的剪切形變局域化，使其在遠(yuǎn)低于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的條件下發(fā)生了均勻變形并表現(xiàn)出縮頸現(xiàn)象。通過與常規(guī)加熱條件下的拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在電流激勵(lì)拉伸變形過程中，電流的電遷移效應(yīng)，即：沿電流反方向的電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的原子擴(kuò)散，致使金屬玻璃發(fā)生動(dòng)態(tài)回春(Dynamic Rejuvenation)，擴(kuò)大了金屬玻璃的基本變形單元-剪切轉(zhuǎn)變區(qū)，從而促使金屬玻璃發(fā)生均勻拉伸變形；而電流產(chǎn)生的焦耳熱，并非金屬玻璃發(fā)生均勻變形的關(guān)鍵因素。根據(jù)金屬玻璃在“應(yīng)變速率-溫度”空間上的變形圖譜（Deformation Map）進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，電遷移效應(yīng)相當(dāng)于約0.15Tg（Tg為玻璃轉(zhuǎn)變溫度）的等效溫升。這一結(jié)果表明，電遷移效應(yīng)抑制了金屬玻璃剪切帶的形成，顯著的擴(kuò)展了金屬玻璃發(fā)生均勻形變的溫度范圍。
圖文導(dǎo)讀
圖1 金屬玻璃脈沖電流拉伸實(shí)驗(yàn)
(a) 拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖；(b) 拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖；(c) 拉伸試驗(yàn)局部放大，引伸計(jì)，熱電偶、拉伸試樣；(d) 拉伸試樣尺寸；(e) 脈沖電流波形；(f) 實(shí)際產(chǎn)生的脈沖電流。
圖2 脈沖電流拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(a) Zr55Cu30Al10Ni5 (Zr55)金屬玻璃在不同電流密度脈沖電流作用下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 變形后樣品形貌；(c)金屬玻璃頸縮區(qū)域形貌；(d) 頸縮區(qū)域高分辨電鏡照片。
圖3 電流的焦耳效應(yīng)分析
(a) Zr55Cu30Al10Ni5 (Zr55)金屬玻璃樣品在拉伸實(shí)驗(yàn)中的溫度變化；(b)常規(guī)加熱條件下Zr55金屬玻璃的拉伸實(shí)驗(yàn)；(c) 常規(guī)拉伸實(shí)驗(yàn)后樣品形貌。
圖4 電致塑性
(a) Zr55Cu30Al10Ni5 (Zr55)金屬玻璃在不同脈寬脈沖電流作用下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，脈寬/周期=1:40；(b)不同脈寬條件下拉伸實(shí)驗(yàn)中樣品溫度變化；(c)載荷與位移的同步變化；(d) 位移與溫度的同步變化，表明位移增加并不是由焦耳熱引起的溫升導(dǎo)致。
圖 5 電遷移致動(dòng)態(tài)回春機(jī)理
(a) 金屬玻璃結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 剪切轉(zhuǎn)變區(qū)示意圖(Shear Transformation Zone, STZ)：疏松區(qū)域?yàn)镾TZ，密堆區(qū)域?yàn)閺椥曰w；(c) 電遷移效應(yīng)示意圖；(d) 電遷移驅(qū)動(dòng)金屬玻璃發(fā)生動(dòng)態(tài)回春。電遷移效應(yīng)在受到幾何約束的原子(Geometrically Frustrated Atoms)上比在自由擴(kuò)散原子(Free Diffusing Atoms)上更顯著，因此優(yōu)先驅(qū)動(dòng)STZ彈性基體內(nèi)部的原子擴(kuò)散，誘導(dǎo)金屬玻璃發(fā)生動(dòng)態(tài)回春，擴(kuò)大了STZ區(qū)域，促使金屬玻璃發(fā)生均勻變形，從而抑制了其剪切帶形核。
圖 6 電遷移致回春效應(yīng)的引起的金屬玻璃軟化現(xiàn)象
電流作用下金屬玻璃強(qiáng)度隨溫度變化的關(guān)系滿足：σy ~ (T/Tg)^n, n~5.2。E 為楊氏模量；Tg 是玻璃轉(zhuǎn)變溫度。圖6表明，電流作用下的軟化效應(yīng)較金屬玻璃強(qiáng)度隨溫度變化的n = 2/3冪律關(guān)系更顯著，印證了電流作用下金屬玻璃的動(dòng)態(tài)回春效應(yīng)，即：原子運(yùn)動(dòng)能力增加。
上述結(jié)果表明，電遷移效應(yīng)通過優(yōu)先驅(qū)動(dòng)金屬玻璃內(nèi)部原子密堆區(qū)域的原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，促使金屬玻璃發(fā)生動(dòng)態(tài)回春，從而導(dǎo)致金屬玻璃在塑性變形過程中發(fā)生均勻變形。本研究成果不僅有助于更好地理解金屬玻璃的塑性變形機(jī)理和金屬材料“電塑性效應(yīng)”的本質(zhì)，還為通常只能進(jìn)行傳統(tǒng)“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(dòng)金屬玻璃的工業(yè)應(yīng)用。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s43246-020-0046-x
該項(xiàng)成果的實(shí)驗(yàn)工作主要基于國(guó)家脈沖強(qiáng)磁科學(xué)中心電磁成形工作站及材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非晶態(tài)材料研究室開展，相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新基金、以及材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的支持。
文章來源：材料人
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