美国科学家:调控软点可以帮助改善金属玻璃的延展性


       日前,来自阿拉巴马大学、劳伦斯伯克利国家实验室和加利福尼亚大学的一个研究小组计算研究了金属玻璃(特别是Cu64Zr36)本征的空间异质性与剪切带形成之间的关系。随着材料异质性之间空间关联性的增强,以及弹性软点和硬点区域的扩大,作者们观察到在材料软点处,软点数量的降低削弱了材料延展性,且应力诱导的成核生长和剪切带增长开始向应变渗透转变。作者发现,协同调控软点数量和软点空间分布可以帮助改善金属玻璃的延展性。

       金属玻璃(MG)具有非常高的强度,然而由于剪切带的形成,其通常仅显示最小的拉伸延展性。研究旨在提高MG内在异质性,以促进分布式流动,从而为改善单片MG的延展性提供新的可能。研究小组研究了非均质无定型构型引起的弹性各向异性对MG形变性能的影响,并利用多尺度模拟方法对体系延展性做了相关研究。通过原子尺度的计算模型发现,Cu64Zr36 MG在纳米尺度下呈现出了高度异质的高斯型剪切模量分布,而其中局部的柔性区域很大程度伴随着非弹性剪切形变的出现。对剪切变形区进行介观尺度的动力学模型计算发现,纳米尺度剪切形变转化为剪切带形变由局域剪切模量的空间异质性决定。为获得最佳拉伸塑性,他们定义了弹性异质性的临界空间相关长度。该临界长度与剪切带形成的转变节点相关,其临界值可从应力诱导的成核生长、结构决定的应变渗透与塑性流动的弹性软点饱和度等性能进行表征。这一发现对于深化理解空间异质性与MG形变过程的关系具有重要意义。他们认为可通过调控材料本征的异质性来提升高强度金属合金的拉伸塑性,从而促进新型延性单片MG的设计和开发。

图1:纳米尺度上弹性性质的空间异质性



图2:模拟金属玻璃在不同相关长度下的力学行为

       该研究模拟揭示了弹性软点与金属玻璃形变过程之间的关系。无定形材料通常具有低的拉伸塑性和抗疲劳强度,即该类材料通常具有弱应变活化剪切带,且会导致材料迅速失效。


该文近期发表于npj Computational Materials 4:19 (2018); doi:10.1038/s41524-018-0077-8

由非晶中国整理编辑,原文下载:/upload/201805/13/201805132149489533.pdf


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