【引言】

金屬納米玻璃是納米尺度上玻璃態(tài)材料。納米玻璃顆粒冷壓實(shí)后，可以獲得玻璃-玻璃界面連接形成的金屬納米玻璃。最近，計(jì)算機(jī)模擬和能量色散X射線光譜方法證明，晶粒內(nèi)部和界面之間存在成分梯度。金屬納米玻璃性質(zhì)與玻璃-玻璃界面密切相關(guān)，但是結(jié)構(gòu)無(wú)序和界面寬度窄，加劇了研究難度。模擬金屬納米玻璃的變形機(jī)理發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸影響塑性響應(yīng)，結(jié)構(gòu)從非定域變形到剪切帶的過渡。玻璃-玻璃界面的缺陷短程有序充當(dāng)了剪切轉(zhuǎn)變區(qū)的成核位點(diǎn)。在納米玻璃制備方面，即顆粒的惰性氣體冷凝和冷壓實(shí)，預(yù)測(cè)玻璃-玻璃界面中的缺陷短程有序也受到了變形過程的影響。本文通過分子動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，玻璃狀顆粒固結(jié)后，納米玻璃界面是接觸區(qū)域中拓?fù)洳黄ヅ浜图羟羞^程，這種粒子衍生模型明顯不同于現(xiàn)有的體相衍生微觀結(jié)構(gòu)模型。本文也分析了金屬納米玻璃的整體變形行為與微觀結(jié)構(gòu)和界面特性的相關(guān)性。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的Omar Adjaoud（通訊）作者等人，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)Cu₆₄Zr₃₆納米玻璃塑性變形行為的影響。分析了兩種制備納米玻璃的方法：一種是化學(xué)均勻和不均勻的納米顆粒冷壓獲得的納米玻璃；另一種是體相衍生的多面體組裝而成的納米玻璃。對(duì)兩種類型的微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒衍生的納米玻璃的界面體積分?jǐn)?shù)明顯高于體相衍生的納米玻璃的界面體積分?jǐn)?shù)。兩種玻璃的單軸載荷具有不同的塑性響應(yīng)：顆粒衍生的樣品在屈服時(shí)，沒有應(yīng)力下降，應(yīng)變局部化非常小和沒有應(yīng)變軟化；大塊衍生的樣品出現(xiàn)應(yīng)力下降，應(yīng)變軟化和大的局部應(yīng)變。這與兩種玻璃的玻璃-玻璃界面結(jié)構(gòu)的不同類型有關(guān)。因此，金屬納米玻璃的宏觀變形行為與玻璃-玻璃界面結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而玻璃-玻璃界面的結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又與加工工藝有關(guān)。相關(guān)成果以“Influence of microstructural features on the plastic deformation behavior of metallic nanoglasses”為題發(fā)表在Acta Materialia上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 納米玻璃的加工

（a）惰性氣體冷凝制備直徑6-8 nm Cu₆₄Zr₃₆玻璃狀顆粒；

（b）是（a）在[50] K下，施加5 GPa的壓力冷壓玻璃狀顆粒衍生的納米玻璃；

（c）塊狀Cu₆₄Zr₃₆玻璃切割的多面體玻璃狀顆粒；

（d）在與玻璃狀顆粒相同的條件下，(c)多面體玻璃狀顆粒壓實(shí)獲得塊狀衍生納米玻璃；

（e）均勻的玻璃球產(chǎn)生的均勻納米玻璃；

（f）隨機(jī)除去顆粒衍生的納米玻璃內(nèi)部中約10％的原子，獲得的軟顆粒納米玻璃。

圖 2 在各種納米Cu ₆₄Zr _{3 6}玻璃的晶粒內(nèi)部和界面中，二十面體的分?jǐn)?shù)對(duì)比圖

圖 3 在拉伸變形過程中，均勻和非均勻顆粒衍生納米Cu ₆₄Zr _{3 6}玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖 4 各種納米Cu ₆₄Zr _{3 6}玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

（a）各種納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（b）各種納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃拉伸變形期間，應(yīng)變局部化參數(shù)Ψ的程度；

（c）樣本中最大應(yīng)力和二十面體分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性。

圖 5 在12％總應(yīng)變下，在單軸拉伸下，塊狀Cu ₆₄Zr _{3 6}玻璃樣品變形形成的剪切帶

圖 6 Cu ₆₄Zr _{3 6}顆粒衍生的和塊狀衍生的納米玻璃的局部原子von Mises剪切應(yīng)變圖

圖 7 在10％von Mises剪切應(yīng)變應(yīng)變下，軟質(zhì)顆粒內(nèi)部的局部原子剪切應(yīng)變的分布圖

【小結(jié)】

本文發(fā)現(xiàn)金屬納米玻璃的微觀結(jié)構(gòu)取決于加工工藝。雖然塊狀衍生和顆粒衍生的納米玻璃都具有由玻璃-玻璃界面連接的微觀結(jié)構(gòu)，與體相的納米玻璃相比，顆粒衍生的納米玻璃中的界面的體積分?jǐn)?shù)明顯更高。因?yàn)樵诩庸み^程中，塑性剪切的原子比例較大，填充玻璃狀顆粒之間的孔隙。此外，與體相衍生的納米玻璃相比，顆粒衍生的納米玻璃的顆粒內(nèi)部也伴隨著結(jié)構(gòu)變化。本文研究發(fā)現(xiàn)顆粒衍生的納米玻璃的異質(zhì)性對(duì)變形行為沒有影響。

玻璃-玻璃界面帶有缺陷的短程有序結(jié)構(gòu)。納米Cu₆₄Zr₃₆玻璃中的二十面體具有高堆積密度的網(wǎng)絡(luò)和高抗剪切性。因此，顆粒內(nèi)部的二十面體分?jǐn)?shù)導(dǎo)致剪切變形區(qū)的活化屏障較低。因此，納米玻璃的最大應(yīng)力隨著二十面體分?jǐn)?shù)的減少而減小，而二十面體分?jǐn)?shù)又取決于界面的體積分?jǐn)?shù)。本文在顆粒衍生的納米玻璃和大塊衍生的納米玻璃的顆粒內(nèi)部創(chuàng)建了缺陷的短程有序結(jié)構(gòu)，即一種柔軟顆粒內(nèi)部的納米玻璃。研究發(fā)現(xiàn)，軟顆粒內(nèi)部納米玻璃對(duì)外部載荷有響應(yīng)，金屬納米玻璃的變形行為與界面的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，而界面的體積分?jǐn)?shù)與加工路線有關(guān)。

文獻(xiàn)鏈接：Influence of microstructural features on the plastic deformation behavior of metallic nanoglasses（Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.033）。

來(lái)源：材料人