福耀科大“杰青/长江学者”蒋建中教授：Nature子刊

企业 2024-10-24 11:01 天津

【研究背景】

金属玻璃作为新兴的结构工程材料，具有高强度、高弹性和显著的断裂韧性等优异性能，在近几十年引起了人们极大关注。金属玻璃在外加应力或者有限温度下进行变形时，前者会改变系统本征态跃迁所需的最低激活能，后者能使系统在更高的激活能下发生跃迁，也就是说势能图本身就在动态变化，这使得一维PEL无法解释这些跃迁现象。而以前的研究一般集中在绝热(零度)变形，可以使用一维PEL来定性解释一系列本征态事件，没有温度参数的影响。目前尚不清楚有限温度下的ST事件会如何影响金属玻璃的宏观力学行为，尤其是塑性变形。

【工作简介】

福耀科技大学蒋建中教授课题组长期从事金属玻璃的微观结构和力学性能的关系的研究工作，本项目是基于微动弹性带(NEB)方法构建能量-应变图，定量分析温度和应变对剪切转变事件及其激活能的影响，发现金属玻璃在超低温下的弹性极限和温度的关系，不仅取决于该温度下剪切转变发生时的应变，还取决于该剪切转变事件在给定温度下是否可逆。并提出剪切转变可以随着温度升高通过热激活从不可逆变成可逆的变形机理，用来解释金属玻璃的弹性极限随温度增加的异常现象。这些发现为理解金属玻璃的塑性屈服提供了新视角。该文章发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

【内容表述】

本工作利用分子动力学(MD)模拟和高通量微动弹性带(nudge-elastic band, NEB)方法来研究ST事件的动力学和金属玻璃在有限温度下变形的关系。在系统研究Cu_64.5Zr_35.5金属玻璃样品在有限温度下的变形过程中，发现弹性极限(即塑性变形的开始)在某些温度区间随着温度的升高而增加，这与弹性极限随着温度升高而降低的普遍预期相反。这种弹性极限的异常温度关系主要与形变初期阶段出现的剪切转变事件相关。随后，本研究通过MD和NEB方法构造能量-应变图(energy-strain landscape, ESL)理论模型，即在一维PEL的基础上，通过引入应变增加一个研究维度形成ESL，用来研究MD模拟变形过程中涉及到的本征态和它们之间的ST事件，从而建立ST事件和弹性极限的关系。结果表明ST事件随温度升高被热激活，从不可逆变成可逆，会导致弹性极限随着温度升高而增加。由此可见，局部原子重排事件在金属玻璃中的变形过程中发挥着重要作用，而从多个角度如ESL和空间结构分析可以更好地理解ST事件发生的原因和条件，从而建立金属玻璃的宏观力学行为与微观结构单元的关系。

图1 金属玻璃(MG)变形的宏观和微观机理。(a) Cu_64.5Zr_35.5 MG构型(Cu-小原子; Zr-大原子)有5000个原子。红色箭头表示沿y轴的单轴加载方向。使用OVITO软件，根据原子的von Mises原子应变大小与加载前的初始配置进行比较，原子被着色。在前面的一半原子被移除，以显示剪切变换(ST)事件在模拟盒的中心。(b)大盆地之间的α转换和小盆地之间的β转换的一维势能景观示意图(PEL)。(c)典型MG拉伸试验的应力-应变关系示意图，在弹性极限处出现不可逆的ST事件，在宏观屈服强度处ST事件聚并(圈内)。圆圈中的数据来自20 K下拉伸试验的MD模拟。箭头指示装载或卸载方向。

图2 弹性极限的反常温度依赖性。(a)不同温度下拉伸加载试验的应力-应变曲线，沿y方向至弹性极限(非弹性开始)，然后卸载至零应力。从总应变中去除弹性应变以显示ST事件。非零度温度下的曲线被移位以帮助可视化。在5 K(第三条曲线，应变高达0.3%)和20 K(第七条曲线，应变高达0.58%)的弹性极限下进行两次额外的可逆循环加载试验。(b)模拟弹性极限ε_lim随温度的函数。实线(红色)和虚线(绿色)箭头表示正常和异常温度对ε_lim的影响。

图3 不同温度下加载-卸载过程中亚稳态id(圈数)的能量-应变图(ESL)。(a)准静态0 K极限(加载到ε_lim = 0.36 %)和2 K极限(加载到ε_lim = 0.19 %); (b) 5 K(加载至ε_lim= 0.56 %); (c) 20 K(加载到ε_lim= 0.58%)。灰色竖线表示状态应变能E(ε)随应变ε的函数，深灰色水平线表示相邻状态之间的最小能量路径(MEPs)，表示施加应变ε时的1D PEL图。为了放大能量差，从总能量中减去参考弹性能E_ref(ε) = 1.5ε² + E₀, E₀为系统在零应变时的能量。粗箭头表示加载/卸载过程中与应变相同状态的能量变化。连接垂直箭头的粗曲线表示相邻状态之间的一次性转换，而阴影区域表示完全可恢复的转换。红色曲线表示每次剪切转变(ST)事件的本征势垒MEP。这些MD模拟涉及三个ST事件(I, II, III)，它们经历三种类型的行为:不可逆(A型)，滞后可逆(B型)和完全可逆(C型)，在ESL上标注出来。状态及其类型之间的连通性在(d) 0 K极限和2 K; (e) 5 K; (f ) 20 K处进行了说明。ST事件I、II和III的空间范围分别表示为(g)、(h)和(I)。

图4 根据ST事件的可逆性预测弹性极限。(a)选择的ST Event I在不同施加应变下的MEPs值在(ε_min，ε_max)范围内，其中状态①(初态)和②(终态)均为亚稳态。(b)事件I在正向和反向方向上的能量势垒随外加应变ε的函数。不同温度下的热波动用水平虚线表示，特征势垒E_eig用红色虚线表示。(c)事件1在不同温度下对应的应力-应变滞回线。ε_eig为本征势垒E_eig对应的应变。(d)预测弹性极限ε_lim(T)(黑色实线)作为温度和MD模拟(红星)模拟的ε_lim(T)的函数。

【总结与展望】

综上所述，通过MD模拟研究金属玻璃Cu_64.5Zr_35.5样品的超低温力学行为，发现了金属玻璃的弹性极限在超低温区域存在异常的温度关系。结合势能-应变图和微观结构分析等方法研究变形过程中的剪切转变事件，并构建应变相关的势能图来解释弹性极限异常的机理，系统了解金属玻璃在超低温区域的屈服力学行为。

【文献详情】

Anomalous temperature dependence of elastic limit in metallic glasses. DOI: doi.org/10.1038/s41467-023-44048-7.

【作者简介】

通讯作者：蒋建中教授，2024年-至今福耀科技大学材料科学与工程学院院长，博士生导师。2004年加盟浙江大学材料学院任教授、博导并荣获国家自然科学杰出青年基金；2006年荣获教育部长江学者特聘教授；2009年获教育部高校优秀科研成果自然科学一等奖（第一完成人）；2011年担任科技部973项目首席科学家；2012年培养了一篇全国百篇优秀博士学位论文；2014年入选国家“百千万工程”；2016年获得国务院特殊津贴。曾负责主持科技部国家重点研发项目、973和863项目、国家自然科学基金委重大、重点、面上和主任基金项目，中德重大国际合作项目，浙江省科技厅重大、重点等项目。主要研究方向：金属液体、块体金属玻璃、金属玻璃薄膜、同步辐射技术、高熵合金和相变等。在国际期刊Science, Progress in Material Science, Advanced Materials, Science Advances, Matter, Nature Communications, Nano Letters, PNAS, PRL, JACS, Advanced Functional Materials, Acta Materialia, Scientific Reports, APL, PRB等发表论文500余篇，H因子71，引用超过2万次。他是美国内华达里诺大学、日本东北大学、德国乌尔姆大学、德国DESY同步辐射国家实验室、澳大利亚新西南威尔士大学、中国科技大学、厦门大学等高校兼任教授或研究员。

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