非晶合金材料形变和玻璃转变的结构单元研究

The project focuses on the studies of the flow units in metallic glasses. We will characterize the activation process and activation energy, size, and distribution, evolution of the flow units in metallic glasses mainly using internal friction and dynamical mechanical analyzer. We attempt to clarify the structural origin of the deformation and relaxation, and build the model for the flow units in metallic glasses. The study might provide a new insight into the atomic-scale mechanisms of plastic deformation and relaxation of metallic glasses.

本项目主要研究非晶合金中流变单元的结构和演化特征。 包括流变单元的激活能的测量，演化、扩展及其与宏观力学性能，玻璃转变的相关性。拟采用动态模量分析技术和内耗方法来确立非晶合金流变单元的结构特征包括激活能，尺寸大小, 分布、扩展以及和性能的关系。通过和本集团项目其它三个研究组的合作，在已确立的弛豫和形变特征关系的基础上发展非晶合金流变单元的模型，进一步深化对非晶合金形变和玻璃转变的结构本质的认识。

本项目组将围绕非晶合金结构特征及演化和力学性能的关系这个核心科学问题，提出流变单元模型，对形变单元这个跨尺度参量及其扩展和相互作用与宏观力学性能的相关性作了系统。通过对非晶合金中结构和动态不均匀性研究的深入，人们发现在玻璃态中可能存在一些所谓的类液区域，这些区域具有相对较高的自由能、较低的密度和粘弹性等流动特性，可能扮演着类似晶体中缺陷的作用，因而被定义为玻璃中的流动单元（Flow unit）。流变单元因为其动力学行为的不同，可以通过其动力学弛豫行为来进行表征，可从动力学流动单元的角度来认识、表征甚至调控非晶材料的本征特性、流变、以及力学性能。我们结合动态力学弛豫谱和改进的宽温度区间应力弛豫谱等方式，对室温到玻璃转变温度Tg以上的温度区间内非晶合金流动单元的演化和相互作用进行了系统和详细的研究。证实了非晶合金的流动行为主要是非晶中浓度不超过10%的潜在流动单元导致的。随着测试温度的升高，流动单元区域的激活过程并不是简单的线性关系，而是可以被划分为可逆激活-玻液转化-整体流动三个阶段，并且在β弛豫激活温度附近发生了从局域到协同激活的转变过程。流动单元浓度在转变温度附近达到了经典的临界逾渗阈值，而且这个激活过程与基于键结合扰动的理论预测也基本吻合。建立流变单元和非晶力学性能的相关性。通过分析潜在局域流变演化的过程与非晶合金整体力学行为表现之间的联系，将玻璃转变和形变机制，动力学和力学行为这些重要问题通过流动单元的激活过程建立起联系，初步给出了非晶合金从玻璃态到液态转变过程中几个重要阶段的全景式动力学描述，初步实现用动力学来调控非晶合金力学性能（而不是像传统晶态材料那样，根据结构来调控材料性能）。 这些工作对认识非晶合金的形成本质，探索具有实际应用价值的非晶合金具有意义。对本领域的发展起到引领作用。