金属玻璃快二次弛豫与塑性起源的内禀关联研究

In glassy physics, the intrinsic correlation between the relaxation spectrum and disordered structural features and deformation behaviors in metallic glasses (MGs) is still a fundamental issue yet to be resolved. In the prior work, we have provided the compelling evidence for the existence of a universal fast secondary relaxation process in MGs and the preliminary investigation indicates its correlation with plasticity of the materials. In this research proposal, we’ll systematically study the effects of chemical composition (including element addition or substitution) and thermal history as well as mechanical treatment on the behaviors of fast secondary relaxation in MGs and then the correlated changes in the brittle-to-ductile transition and slow secondary relaxation behaviors. Consequently, the atomic-scale mechanism of fast secondary relaxation will be elucidated as well as the correlation of plasticity initiation to atomic mobility and their dependence on the atomic chemical and/or topological short-range ordering. Furthermore, the intrinsic correlation between the fast secondary relaxation and plasticity initiation will be clarified together with those between the fast and slow secondary relaxations as well as the plasticity initiation and shear transformation zone (STZ) or flow unit in MGs. The outreach of the present research will be favorable for understanding the physical mechanism of plasticity initiation in MGs and also it’s of both theoretical and practical importance for the enhancement of their macroscopic plasticity through monitoring and modifying the dynamic structural features.

金属玻璃弛豫谱与其无序结构特征和形变行为的本征关联联系仍是当前玻璃物理领域里尚未完全澄清的基础科学问题。在首次发现金属玻璃快二次弛豫并初步研究其与塑性的关联性的基础上，我们进一步提出系统研究化学组成（包括元素添加或替换）、热历史、机械处理对金属玻璃快二次弛豫行为的影响及其低温韧-脆性转变行为和慢二次弛豫的关联变化；进而揭示金属玻璃快二次弛豫机理和塑性起源与原子动性的关系以及局域原子拓扑或化学短程有序对其的影响；建立金属玻璃快二次弛豫与塑性起源的内禀关联，并澄清快、慢二次弛豫以及塑性起源与剪切转变区或流变单元的关联关系。上述研究不仅有助于深入理解金属玻璃塑性起源的物理机理，也将对通过弛豫谱监控、改变其动态结构特征，进而提高其宏观塑性具有重要的理论和实际意义。

本项目研究了化学组成、热历史及深冷处理对金属玻璃快'弛豫行为的影响，以及韧-脆性转变行为和慢弛豫动力学的相关联变化，并取得以下的重要成果：.(1) Al添加使Cu-Zr金属玻璃快二次弛豫与慢弛豫的关联度越强，且系统过剩熵与动态不均匀性越高，这有利于其在室温获得多重剪切带，实现高塑性。.(2) Nb添加使Zr-Cu-Ni-Al玻璃合金有序原子团簇体积分数增大，结构能量状态降低，但其快二次弛豫驱动能降低，从而有利于合金形成多重剪切带，获得塑性。.(3)首次了发现金属玻璃Al86Ni9Y5呈现出两个低温快二次弛豫，并与纳米尺度上的成分起伏有关； La替换Y对其产生影响；动态结构不均匀性可使原子动性低的玻璃合金也能具有明显塑性。这为在纳米尺度上调控金属玻璃动态结构不均匀性提供了新路径。.(4)采用深冷处理可使Cu-Zr-Al金属玻璃结构能量状态降低的同时，反常提高其动态结构不均匀性和局域原子动性，这与局域有序原子团簇形成有关。 .(5)慢速冷却使Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5玻璃合金向低能态弛豫，导致其快二次弛豫驱动能增大和动态不均匀性降低；反之，则使其呈现相反的变化。该成果还表明，过冷熔体的温度是控制金属玻璃动态不均匀性的关键因素，为深入理解玻璃结构不均匀性、及塑性起源奠定了基础。.(6)缓慢加热至玻璃转变能显著改变[(La0.8Ce0.2)0.78Ni0.22]75Al25金属玻璃动态不均匀性，并受到了过冷液相冷却前温度的影响，这表明玻璃固体的动态结构不均匀性与过冷液相的相关。对于理解深过冷液体和玻璃固体的结构不均匀性的本征关联具有十分重要意义。.(7)提高基板温度可使得磁控溅射Cu-Zr金属玻璃薄膜的结构不均匀性程度减小，锯齿流变关联长度增大，从而使得剪切带形核困难，材料纳米摩擦磨损抗力提高。该成果对于深入认识金属玻璃塑性行为与纳米尺度弹性不均匀性的关系具有重要意义。 .上述成果对于构建金属玻璃快二次弛豫与塑性起源的内禀关联，提供极为重要实验依据，同时也为利用动态弛豫谱监控、改变金属玻璃动力学结构特征，实现其宏观塑性，优化其综合机械性能的奠定了实验和理论基础。