金属玻璃室温塑性与结构弛豫的内禀关联

Metallic glasses are a new class of metallic materials in a thermodynamic meta-equilibrium state with liquid-like "short-range order & long-range disorder" atomic structures, which is equipped with metal-like strength and plastic-like superplasticity, showing wide application prospects. However, the plastic deformation of metallic glasses at room temperature usually occurs in the form of extremely localized shear bands and is often accompanied by catastrophic failure, which largely undermines the application of metallic glasses. How to clarify the plastic deformation mechanisms of metallic glasses from the aspects of structural character is one of the key issues in the research of metallic glasses. This project aims to utilize the meta-equilibrium character and complex structural relaxation behaviors of metallic glasses by selecting a series of metallic glasses with distinct structural relaxation characteristics as representative research subjects. By adopting "deformation frozen" method in static and cyclic elastic loading tests, the characteristic behaviors of structure evolution during elastic loading and plastic deformation after "deformation frozen" of the selected metallic glasses are to be systematically compared and studied with thermal analysis, mechanical tests and electron microscopy in this project, in order to reveal the intrinsic correlation between the room temperature plastic deformation and structural relaxation of metallic glasses, and to elucidate the plastic deformation mechanisms of metallic glasses. The implementation of the present project would help to design new metallic glasses with excellent plasticity and to finally promote the application of metallic glasses.

金属玻璃是一类具有类似液态“短程有序、长程无序”原子结构的新型亚稳态金属材料，兼具金属的强度和塑料的超塑性，具有广阔的应用前景。然而，金属玻璃室温下的塑性变形，通常以高度局域化的剪切带的形式发生，并伴随灾难性的破坏，极大地限制了其应用。如何从结构特性的角度，澄清金属玻璃的室温塑性变形机制，成为当前金属玻璃研究领域的一个重要科学难题。本项目借助金属玻璃处于热力学亚稳态并表现出复杂的结构弛豫的特点，拟选择具有不同结构弛豫特征的金属玻璃体系为研究对象，采用静态及循环弹性加载下的"变形冻结"技术，通过热分析、力学测试以及电镜等手段，考察具有不同结构弛豫特征的金属玻璃弹性加载过程中的结构演化特征、以及"变形冻结"后的塑性变形特征，以揭示金属玻璃室温塑性与结构弛豫的内禀关联，完善金属玻璃塑性变形理论。本项目的实施对于指导设计具有良好塑性的金属玻璃具有重要意义，并有望推动金属玻璃作为工程材料的广泛应用。

金属玻璃具有优异的力学、物理、化学等综合性能、以及在宏观/微观尺度超塑性近净成形的能力，在现代工业技术中拥有广阔的应用前景。然而，金属玻璃的工程应用深刻的受限于其室温下较差的塑性变形能力及失效时呈现出的宏观灾难性脆断。因此，揭示金属玻璃室温塑性变形的结构起源以及物理机制，对于探索改善金属玻璃室温塑性变形能力的可行途径，并最终推动金属玻璃的工业应用具有重要的指导意义。本项目从金属玻璃内部原子呈现复杂多级弛豫行为（如αlpha弛豫、beta弛豫等）的动力学特征出发，采用动态“变形冻结”技术，建立了金属玻璃内部原子的结构弛豫行为与其室温塑性变形的内禀关联，完成了以下主要研究内容：1）采用纳米压痕保载实验，并与金属玻璃过冷液相区变形实验相结合，探索了金属玻璃塑性流动过程中的剪切软化效应的结构起源，指出金属玻璃变形单元的集团开动效应是其剪切软化的关键物理机制；2）采用纳米压痕保载实验，探索了beta弛豫在金属玻璃室温塑性变形过程中的主要作用，指出beta弛豫在金属玻璃变形时主导变形中滞弹性成分向塑性成分转化的速率；3）采用在金属玻璃塑性变形过程中施加脉冲电流的方法，探索了利用电迁移机制调控金属玻璃原子动力学行为、改变金属玻璃塑性变形模式的可行性，指出采用电迁移机制选择性地调控金属玻璃内部原子的动力学行为可以实现金属玻璃的宏观均匀塑性变形，以及αlpha弛豫的激活方式决定了金属玻璃的塑性变形模式。上述研究结果揭示了金属玻璃内部原子的复杂多级弛豫行为在金属玻璃室温塑性变形中的关键作用，并指出了抑制金属玻璃宏观脆性失效、提高金属玻璃塑性变形能力的方向。