大块金属玻璃室温屈服前的滞弹性形变行为及其微观机理研究

本研究项目将在开创性利用纳米压痕实验技术研究大块金属玻璃室温屈服前的滞弹性形变行为，并获得初步研究成果的基础上，进一步系统研究最大加载载荷和加载速率或频率对其的影响；研究大块金属玻璃屈服前的滞弹性形变行为随温度的变化，获得其驱动能和驱动体积；为揭示大块金属玻璃室温屈服前的滞弹性形变行为与微观原子团簇拓扑结构组成和原子动性的关系，本项目将深入研究热处理、微量元素添加对其的影响和机制。上述研究成果将有利于助于深入认识大块金属玻璃室温局域剪切转变区及其周围弹性约束基体的微观原子团簇拓扑结构组成，进而更好理解大块体金属玻璃室温剪切带的形核、塑性屈服和非均匀塑性形变的原子机制。这对建立大块体金属玻璃室温力学行为与微结构的关系，开发具有优异室温塑性的大块体金属玻璃体系具有重要的理论价值和实际意义。

滞弹性是包括金属玻璃在内的非晶态材料的重要要力学特性之一。有关大块金属玻璃在室温，尤其是屈服前的滞弹性行为与局域原子团簇拓扑结构（包括自由体积）、化学组成以及原子重排机理的关系仍不清楚。在本项目中，我们首先利用圆压头纳米压痕技术并结合三参数力学模型分析研究了一系列不同金属玻璃在室温屈服前的滞弹性行为，以及加载速率和最大载荷对其的影响。研究发现，在给定最大载荷条件下，足够高的加载速率将导致金属玻璃普遍显示出滞弹性“蠕变”行为；其驱动能的值几乎不依赖于合金的化学组成，这暗示了金属玻璃滞弹性弛豫行为主要与其原子拓扑结构有关。随后，再结合利用动态力学分析仪在相对较宽的温度范围内，研究了Ce-La基金属玻璃屈服前滞弹性弛豫行为，首次揭示了一种快belta二次弛豫过程；其驱动能为0.54eV，约为前期发现的慢belta二次弛豫驱动能（~0.93eV）的两倍，但与利用纳米压痕技术获得的滞弹性形变驱动能相当，从而表明它们可能具有相同的结构起源。这一发现不仅有助于理解金属玻璃结构动态不均匀性，也基本完整建立了金属玻璃弛豫谱与滞弹、屈服至稳态塑性流变等力学行为的相关性。研究了在给定加热速率，最高加热温度不断增大的循环往复加热对belta弛豫温度区间动态力学谱的影响，发现belta弛豫驱动能几乎不变，但其驱动熵却随着弛豫程度增加，这揭示了块体金属玻璃belta弛豫可能受控于构型熵变化。为揭示原子拓扑短程有序或化学短程有序对室温屈服前滞弹性行为的影响，我们结合准点缺陷理论分析研究了Ce-Cu-Al块体金属玻璃belta弛豫行为随微量Fe元素添加或室温时效的变化，发现Fe元素的加入导致具有结构动态不均匀性的非晶合金原子有序度增加，从而使得其在弛豫向弛豫转变时，原子协作运动需涉及到更多的原子，相应地使两者倾向于去耦合化。上述发现有助于对于进一步澄清金属玻璃主弛豫谱多余边的微观物理机制。