陈明伟教授团队揭示金属玻璃的力学行为与微观结构的内在关联


       近日,上海交通大学材料科学与工程学院的陈明伟教授团队在《Nature Communications》(DOI: 10.1038/s41467-018-06476-8)上发表了题为“Spatial heterogeneity as the structure feature for structure-property relationship of metallic glasses”的论文。上海交通大学为第一作者单位,论文共同第一作者为尖端物质结构研究中心的朱凡博士,宋双喜特别副研究员和Reddy特别研究员。


       自然界中的金属材料通常都是以结构长程有序的晶体形态存在的,其力学行为主要由晶体中的缺陷,如固溶原子,位错,孪晶和晶界等控制。通过快速冷凝等手段,金属熔体的无序结构可以被保留下来形成非晶形态的金属玻璃。由于金属玻璃结构的无序性,决定其力学行为的微观结构一直没有得到揭示。


       2016年该团队通过调幅动态原子力显微镜等表征手段证实了金属玻璃在纳米尺度下存在结构的空间非均匀性,并且与beta弛豫存在内禀关联(DOI: 10.1038/ncomms11516)。通过埃尺度相干电子衍射等先进手段该团队进一步表征出了空间非均性中不同区域的局部原子构型(DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.215501)


图1: 金属玻璃在不同热力学状态下的空间非均匀性与力学性能的关联


       基于以前的工作,陈明伟团队结合球差矫正透射电镜和纳米压痕等研究手段系统分析了空间非均匀性对力学性能的影响。他们发现空间非均匀性的减小导致了金属玻璃强度的提高和形变的局域化。力学性能与空间非均匀性的特征长度之间存在內禀关联性,符合Hall-Petch关系(图1)。同时他们还发现金属玻璃的应变弛豫与空间非均匀性的原子构型相关。基于不同原子构型的有效维度推导出的混合模型与实验数据极度吻合,揭示了空间非均匀性与力学行为之间关联的结构起源(图2)。该研究加深了对非晶体系力学行为的认识,为人类正确认识非晶体系提供了关键性指导,同时也为揭示玻璃转变等核心科学问题提供了重要的科学启示。


图2: 金属玻璃应变弛豫的拉伸指数与空间非均匀性的量化关联符合混合模型(mixture model)的预测


       在陈明伟教授的带领下,尖端物质结构研究中心目前已经在金属玻璃等领域取得了诸多重要突破,发表了一系列研究成果,包括Science 1篇,Nat. Commun. 2篇,PRL 1篇,Adv. Mater. 2篇等。上述研究得到科技部973前沿项目、国家自然科学基金委非晶集团和重大设备项目等的资助。


论文链接:


1)https://www.nature.com/articles/s41467-018-06476-8


2)https://www.nature.com/articles/ncomms11516


3)https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.215501


文章来源:上海交通大学材料科学与工程学院网站,题目由编者制作

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