应变玻璃合金慢动力学特性的实验研究与Ginzburg-Landau理论模拟

Slow dynamics, a critical slowing down of the relaxational process, is the most fundamental feature of glassy materials. Strain glass (STG) is a newly reported “glassy” state in shape memory alloys (SMAs) and is formed by doping sufficient defects into the host alloy with normal martensitic transformation. However, very recent studies have shown that the four major experimental evidences for the glassiness of STG are subject to controversy... Therefore, in the present study, we propose to systematically study the slow dynamics of STG, the key feature of glassy materials, to clarify whether STG is a real glass or not. The project is organized as follows. Firstly, in order to characterize the slow dynamics in STG, investigations will be focused on the physical properties of STG in a wide frequency range (100 – 1200 KHz) and its physical aging with time. The results will answer whether STG is a real glass or not. Secondly, the origin of slow dynamics in STG can be investigated by combining in-situ time-resolved transmission electron microscope (TEM) and time-dependent Ginzburg-Landau simulation (TDGL), from the viewpoint of the microstructural heterogeneity in STG. Thirdly, based on the above studies, the idea of slow dynamics can be further extended to understand the long-standing phenomenon, i.e., the isothermal transformation in SMAs. It can be considered as a crossover between the normal martensitic transformation and the strain glass transition. .. This study will not only clarify whether the STG belongs to the glass family or not and show the key features of STG, but also provide experimental and theoretical bases for the time-reliability of the functionalities of STG alloys.

慢动力学是指玻璃态材料动力学过程显著慢化的特性，是玻璃态的本质特征之一。应变玻璃态是形状记忆合金中由于足量缺陷掺杂而导致的新状态，其为玻璃态的主要依据基于四个实验证据，但最新的研究质疑它们并不能证明应变玻璃是一种真正的玻璃态。因此，本项目拟从应变玻璃的慢动力学特性这一玻璃态的核心特征出发展开研究。首先，从应变玻璃合金物理特性的频率依赖性和时间依赖性方面，系统研究不同应变玻璃体系慢动力学的基本特征，以澄清应变玻璃是否是一种真正的玻璃态；进而以原位电镜观察结合时间相关朗道理论模拟，研究应变玻璃合金体系不均匀微结构的演化规律，从而探明应变玻璃慢动力学特性的物理起源；在此基础上，从应变玻璃慢动力学的新视角，尝试阐明形状记忆合金等温马氏体相变这一奇异现象的物理机制。本研究将澄清应变玻璃是否是玻璃大家族中的一员，揭示应变玻璃态的本质特征，并为应变玻璃合金功能特性的时间稳定性提供实验和理论基础。

应变玻璃是近年来发现的存在于铁弹材料/形状记忆合金中的一种新型玻璃态，它是由于缺陷的存在抑制了长程马氏体相的生成，从而使得体系逐渐被冻结为应变玻璃态。之前的研究表明：应变玻璃合金的微观特征是不同尺寸的具有短程应变有序的纳米微畴与高温母相共存。其宏观特征是，合金的动态力学性能（存储模量和损耗模量）在应变玻璃转变温度区域表现出明显的频率弥散特征，以及其宏观晶体结构不发生任何改变，即应变玻璃态具有与高温母相相同的晶体结构。然而，以上关于应变玻璃的研究并没有涉及到玻璃态的核心特征---慢动力学特性，即玻璃态材料的性能会随着时间发生弛豫现象。.因此，本项目从慢动力学特性这一玻璃的核心特征入手，主要利用实验结合Ginzburg-Landau的手段，对于应变玻璃合金的动力学特征进行表征和分析，最终澄清应变玻璃慢动力学的物理起源，对于应变玻璃是否是真正的玻璃态这一关键科学问题给出答案。.具体来说，一方面，利用动态力学分析仪和热机械分析仪，探究了应变玻璃合金的动态力学性能和静态力学性能的时间依赖性，发现了物理时效效应、回复效应和记忆效应这三个最重要的表征其慢动力学特性的实验现象。另一方面，通过引入随机分布的内应力场，建立了含有缺陷的合金体系的Ginzburg-Landau模型，重现了应变玻璃合金的实验特征。进一步发现，应变玻璃体系在力场下，随着弛豫时间的增加，序参量逐渐收敛，且温度越低，序参量的变化量越大。我们对不同温度下的应变玻璃的弛豫过程进行KWW拟合，发现在较宽的温度范围内，应变玻璃的弛豫过程都很好地符合KWW关系。进而通过分析其微观组织的不均匀性随着时间的演变规律，初步探究了应变玻璃合金的慢动力学特性的物理根源，澄清了应变玻璃合金确实是真正意义上玻璃态。