金屬玻璃(MGs)由於獨特的短程有序和長程無序結構，與晶體相比表現出特殊的物理、化學和機械效能。近年來，大量的實驗、計算和理論研究表明，MGs的結構不均性源於其不均勻的原子結構，與其玻璃化轉變、機械弛豫和結晶行為等效能密切相關。這使得對結構異質性特徵的研究具有重要意義。對非晶合金變形過程的合理描述需要充分而準確地引入動態非均勻性，動態非均勻性通常由相應變形單元的啟用能或弛豫時間的廣泛分佈來表示。蠕變，即在恆定應力下載入材料，同時跟蹤應變響應，已被證明是表徵MG合金動態非均勻性以及微觀結構非均勻性分佈的有力工具。深入研究MG合金的蠕變行為，不僅有助於理解其玻璃化轉變、變形和結構弛豫行為，還對提高工程材料的使用效能具有重要意義。
西北工業大學的研究人員透過不同退火時間和不同載入恢復週期兩種蠕變條件，研究了Cu46Zr46Al8金屬玻璃的變形和弛豫行為。比較討論了不同條件下的蠕變位移、能量勢壘分佈、拉伸引數βKWW、特徵弛豫時間τi和強度εi。相關論文以題為“Comprehensive insights into the thermal and mechanical effects ofmetallic glasses via creep”發表在Journal of Materials Science & Technology。
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.036
本研究採用銅模吸鑄法制備典型Cu46Zr46Al8塊狀MG，透過高真空熔體旋壓法制備了寬度約1mm、厚度約30μm的MG帶。採用兩種實驗條件，(1)退火試驗中，將MG帶在510K溫度下進行拉伸蠕變試驗，試樣在同一溫度下經過不同退火處理(0-240min)，退火後，對試樣施加200MPa的恆定拉應力，每次蠕變試驗持續105s。(2)迴圈蠕變試驗中，建立4個載入迴圈，每個載入迴圈持續334min，在載入迴圈之間恢復週期不同(0-240min)。
研究發現在熱處理和迴圈載入過程中，透過活化能和弛豫時間譜幅值的減小，以及βKWW值的增大，發現了局部變形單元的湮沒。隨著變形單元的逐漸減少，MG合金的抗變形能力逐漸減弱，最終達到結構更加穩定的狀態。但與退火處理不同的是，在迴圈載入過程中，變形單元並不是永久消失的，在去除外加應力後，變形單元可以逐漸恢復，這表明熱處理和機械處理對MG的影響有明顯的差異。
圖1 (a)在恆定溫度T=510K和固定應力σ=200MPa下，蠕變應變隨退火時間的變化；(b)歸一化啟用能隨退火時間的變化
圖2 (a)由彈性矩陣和分散變形單元組成的MGs示意圖；(b)包含一個麥克斯韋單位和多個連續開爾文單位的廣義開爾文模型示意圖
圖3 (a) Cu46Zr46Al8MG在恢復時間為60min時的迴圈蠕變曲線；(b) MG的恢復曲線；(c)第三載入階段蠕變應變隨時間的變化規律；(d)第三解除安裝階段恢復應變隨時間的變化規律
圖4 金屬玻璃的熱弛豫和機械弛豫示意圖
本研究透過熱處理和迴圈載入下的蠕變試驗，探討了MG合金的變形和弛豫行為。透過實驗測量和理論模型對MG合金蠕變過程中微觀結構引起的動態非均勻性進行了深入研究。在廣義開爾文模型的框架下，進一步利用弛豫時間譜定量描述了MG合金蠕變過程中的時間尺度。本文有助於闡明熱處理和迴圈載入過程中變形單元的啟用和演化，提供了一種除傳統的DMA和應力鬆弛外定量研究MG合金內在動態非均質性的替代方法。（文：破風）
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