拉伸变形过程中非晶合金纳米尺度结构不均匀性的演化

Seen on the macroscale, metallic glasses are isotropic and homogeneous. On the microscopic scale, however, there exist nanoscale structural heterogeneities. Structural heterogeneity has been received as the intrinsic characteristics of metallic glasses. Evolution of such structural heterogeneities during loading is a key issue to further understand the microstructure and deformation mechanism of metallic glasses. However, direct observations of the energy state and structure evolution on the nanoscale are important bottleneck to restrict the above research. Characterizing the nanoscale mechanical heterogeneity directly before and after deformation may be an effect way to overcome this difficulty. In the current project, metallic films will be deposited on pre pressured elastic substrate by planar magnetron sputtering target. By reducing the pressure gradually, the metallic glassed films are going to be elongated step by step and the nanoscale mechanical heterogeneity will be characterized experimentally. Under loading, energy distribution and the change of the materials on nanoscale may be reflected by the results. Thus the way of structure evolution and its characters of the materials during tensile loading will be revealed. We’ll explore the structural origins of deformation on the nanoscale based on the acquired information. Important reference for further understanding of deformation mechanism in metallic glasses will be provided through the research work of this project.

宏观尺度看似各向同性、结构均匀的非晶合金，在微观上具有纳米尺度的结构不均匀性。结构不均匀性被认为是非晶合金的本征特征。因而，这种结构不均匀性在外加力作用下的演化，是进一步了解非晶合金微观结构及形变机理的关键科学问题，但直接观测变形过程中纳米尺度能量分布和结构的演化，是上述科学问题的重要瓶颈，而变形前后纳米尺度动力学不均匀性的直接表征，是解决这一瓶颈的有效途径和方法。本申请项目将通过在预压弹性基片上平面磁控溅射靶沉积非晶合金薄膜，由逐步降低预压力的方式，实现非晶合金薄膜在不同拉伸变形阶段纳米尺度动力学不均匀性的实验表征，进而反映外力作用下，材料纳米尺度能量分布和结构的变化，揭示非晶合金拉伸变形过程中纳米尺度结构不均匀性的演化方式和特征，并基于此探索非晶合金形变对应的纳米尺度结构起源，通过本项目的研究工作，为进一步认识非晶合金形变机理提供重要参考。

基于非晶态材料的模糊特性人们已经建立了非晶合金参数与性能之间的许多关系，尽管存在这些相关性，但是非晶合金变形的结构图像依然不清楚。非晶合金宏观尺度各向同性、结构均匀，但在微观上具有多尺度的结构不均匀性。结构不均匀性被认为是非晶合金的本征特征。结构不均匀性被认为是非晶合金的本征特征。基于结构不均匀性，学者们提出了流动单元模型概念。这种流动单元在外力作用过程中的演化，是进一步了解非晶合金微观结构及形变机理的关键科学问题，但直接观测变形过程中多尺度能量分布和结构的演化，是上述科学问题的重要瓶颈，而变形前后多尺度动力学不均匀性的直接表征，是解决这一瓶颈的有效途径和方法。本项目通过在弹性基体上利用离子束辅助沉积制备非晶合金涂层、传统单辊旋淬等方法，制备出了适宜于实测形变过程及应力松弛过程中微区动力学及结构演化的非晶合金样品，同时设计并试制出了与纳米压痕仪器和原子力显微镜联用的多种用于原位测试硬度、蠕变、松弛及动力学和结构演化的实现非晶合金微拉伸、三点弯的装置，这系列的装置设计、试制成功，为研究非晶合金流变行为及其对应的材料结构机理打下坚实的条件基础。通过对非晶合金的黏弹性、蠕变行为研究，结合比拟非晶合金微区结构不均匀分布的分形特征，给出了分数阶微分流变模型理论框架，这对建立非晶合金结构-形变之间的联系、进一步了解非晶合金变形机理，特别是流变单元理论模型有重要的理论意义。