不同力学激励形式探索La基非晶合金微观结构非均匀性

非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联,是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一.单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性,特别是结构与动力学的关联.如何探索非晶合金结构信息,须将诸多因素综合,在不同力学激励下研究非晶合金微观结构非均匀性与变形机理.本研究以La₆₂Cu₁₂Ni₁₂Al₁₄非晶合金为模型体系,利用动态力学分析仪研究非晶合金动态弛豫行为.基于准点缺陷模型,对模型合金体系α弛豫和β弛豫进行了分离.借助于拉伸应变率跳实验,探索非晶合金高温流变行为.确定非晶合金塑性流变过程中弹性、滞弹性以及塑性变形的贡献.本研究从非晶合金动态力学弛豫行为和宏观塑性流变行为出发,尝试揭示微观非均匀性对非晶合金在不同激励形式中缺陷的激活、扩展和融合的物理本质.     

非晶合金的离子辐照效应

非晶合金作为一种快速凝固形成的新型合金材料,引起了材料研究者的极大兴趣.微观结构上长程无序、短程有序的特征使其具有独特的物理、化学和力学性能,在许多领域展现出良好的应用前景,尤其是有望成为核反应堆、航空航天等强辐照环境下的备选结构材料.本文深入探讨非晶合金的辐照效应,主要讨论离子辐照对非晶合金微观结构、宏观力学性能以及其他物理化学性能的影响,可为进一步理解非晶合金的微观结构和宏观力学性能之间的关系提供有效的实验和理论基础,也可为非晶合金在强辐照环境下的服役性能预测提供实验依据,对推进非晶合金这一先进材料的工程化应用具有重要的理论与实际意义.     

基于剪切模量和热分析数据研究Zr_(50–x)Cu_(34)Ag_8Al_8Pd_x(x=0,2)非晶合金缺陷浓度演化

非晶合金具有独特物理和力学性能,如何建立非晶合金微观结构非均匀性与物理/力学性能之间的关联是非晶固体的重要研究课题之一.微合金化是调控非晶合金微观结构有效手段之一.本研究以玻璃形成能力优异的Zr_(50–x)Cu_(34)Ag_8Al_8Pd_x(x=0, 2)非晶合金为模型合金,借助差示扫描量热仪和电磁声转换设备,研究非晶合金铸态、弛豫态和结晶态热流和剪切模量随温度的演化规律,以及物理时效(低于玻璃转变温度)过程剪切模量的变化随时间演化规律.基于自间隙原子理论,利用热流曲线表征非晶合金在相同热历史剪切模量热效应.通过分析铸态和弛豫态自间隙缺陷浓度和激活能谱,发现结构弛豫导致自间隙缺陷浓度减小,诱导剪切模量随温度演化偏离软化过程,并伴随体系放热.与此同时,研究发现添加微量Pd元素可抑制模型合金体系原子迁移,增加特征弛豫时间.本研究从非晶合金模量热效应角度进一步理解非晶合金微观结构非均匀性.     

Pd基非晶合金动态弛豫机制和应力松弛行为

作为潜在的功能及结构材料,高熵非晶合金在凝聚态物理和力学领域引起广泛的研究兴趣.高熵非晶合金宏观力学性能与微观结构非均匀性之间的关联是当前重要的科学问题之一.本文选取非晶形成能力良好的Pd_42.5Cu₃₀Ni_7.5P₂₀非晶合金和Pd₂₀Pt₂₀Cu₂₀Ni₂₀P₂₀高熵非晶合金作为模型体系,借助于动态弛豫行为及应力松弛实验建立了温度和物理时效对非晶合金高温变形机制与微观结构非均匀性之间的关联.研究结果表明Pd基非晶合金表现出“肩膀峰”β弛豫形式.玻璃转变温度以下物理时效非晶合金体系原子移动性导致β弛豫肩膀峰往更高的温度迁移.在应力松弛过程中,由于高构型熵的引入降低吉布斯自由能,这是高熵非晶合金具有较高激活能的原因.高熵非晶合金更难被激活,需要突破更高的能量势垒.物理时效时间增加,高熵非晶合金流变单元更小,这也得益于多主元高熵非晶合金慢扩散效应.高熵非晶合金激活体积的改变在物理时效下应力松弛...     

锆基非晶合金的动态弛豫和应力松弛

非晶合金动态弛豫、变形和微观结构非均匀性之间的关联是非晶态物理领域重要研究内容之一.本文选取玻璃形成能力优良,热稳定性好的Zr₄₈(Cu_5/6Ag_1/6)₄₄Al₈块体非晶合金作为研究载体,借助于动态力学分析及应力松弛实验探究了温度和结构弛豫对非晶合金动态弛豫和变形行为的影响.研究结果表明非晶合金动态弛豫行为对温度极其敏感,随温度升高表现为等构型、老化、玻璃转变和晶化4个阶段.基于玻璃转变温度之下等温测试,结构弛豫行为导致非平衡高能量状态非晶合金向低能量状态迁移,内耗随时间演化规律可用Kohlrausch-Williams-Watts (KWW)扩展指数方程描述.此外,基于KWW方程和激活能谱等方法分析了模型合金应力松弛过程中非均匀结构激活,该过程涉及弹性变形向非弹性变形的转变.由于非晶合金存在微观尺度的结构非均匀性与能量起伏,变形单元的激活并非为单一特征时间,而是服从一定分布.通过考虑对数时间尺度和变形单元激活的特征时间分布分别为对称Gauss分布和非对称Gumbel分布,可...     

非晶力学流变的自组织临界行为

非晶材料是由液体快冷冻结而成的结构无序的亚稳态固体.在受力条件下,非晶材料表现出独特和复杂的流变行为,具有跨尺度的高度时空不均匀特征,并在一定条件下表现出自组织临界行为,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.本文结合作者近年来在非晶合金流变行为方面的研究结果,对非晶材料流变的研究进展和物理机制的认识进行介绍,包括非晶材料流变的跨尺度特征、表征和微观结构机制,以及近年来发现的非晶力学流变的自组织临界行为、物理机制等.最后,对非晶材料流变行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

非晶Ti3Al合金的变形晶化机理的原子模拟

利用分子动力学方法研究了非晶Ti3Al合金拉伸过程中的晶化行为,模拟结果表明局部塑性变形导致非晶合金晶化.从微观结构演化的角度分析了拉伸过程中的晶化机理,局部剪切导致拉伸过程中晶粒发生成核与合并,最终生成的晶粒具有面心立方结构.晶核的生长过程伴随着应力强化现象,非晶相中的纳米晶粒能提高非晶合金材料的强度.     

非晶合金中的流变单元

非晶合金是一类具有诸多优异性能的先进金属材料,同时也是研究非晶态物质的模型体系.最近,大量的实验和模拟证据显示,在非晶合金中可能存在类似晶体中缺陷的"流变单元",这些动力学单元和非晶合金的的流变、物理、力学性能密切关联.本文主要综述了流变单元提出的背景、实验证据、流变单元的特征、激活与演化过程、相互作用以及相关的理论.文中提供了大量实验证据证明流变单元模型不仅可以帮助理解非晶态物质中如形变、玻璃转变、弛豫动力学以及非晶结构和性能的关系等重要的基本物理问题,而且可以指导非晶合金性能的调控和设计,获得性能优异的非晶合金材料.     

非晶Ti3Al合金的变形晶化机理的原子模拟

利用分子动力学方法研究了非晶Ti₃Al合金拉伸过程中的晶化行为，模拟结果表明局部塑性变形导致非晶合金晶化.从微观结构演化的角度分析了拉伸过程中的晶化机理，局部剪切导致拉伸过程中晶粒发生成核与合并，最终生成的晶粒具有面心立方结构.晶核的生长过程伴随着应力强化现象，非晶相中的纳米晶粒能提高非晶合金材料的强度. 关键词： 非晶合金 变形晶化 分子动力学     

非晶材料与物理近期研究进展

由于结合了金属和玻璃的特性,非晶合金表现出许多新奇和优异的力学和物理性质,在很多领域具有广泛的应用前景.非晶合金具有连续可调的成分、简单无序的原子结构、丰富多变的材料性质,为研究非晶态物理中的许多共性科学问题提供了理想的模型材料.块体非晶合金的发展更是将玻璃和液体及其相关科学问题的研究推进到凝聚态物理和材料科学的研究前沿.中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室亚稳材料合成、结构及性能研究组(EX4组)近二十年来一直致力于非晶材料和物理的研究,在新型非晶合金的制备、物性以及相关机理的研究上取得了许多重要成果.本文介绍团队最近在非晶材料和物理机理方面取得的研究成果,包括非晶合金的动力学行为和调控、非晶合金的表面动力学、功能应用以及材料探索新方法等.     

金属玻璃的键态特征与塑性起源

由于缺乏位错、晶界等典型的晶格缺陷,金属玻璃体系中承载力的形变单元为短程序或中程序原子团簇,键的强度及成键方向是影响原子间协调变形能力主要因素.本文通过与晶态合金对比,指出金属玻璃中原子键合方式与宏观力学性能的潜在关系,综述了金属材料电子结构与力学性能内在关系的最新研究进展,并系统介绍了金属玻璃电子结构特征、表征参量和主要测试手段,使读者对金属玻璃体系中原子间的键态特征有较清晰的认识,对进一步探索本征塑性较好的金属玻璃体系具有一定指导意义.     

Secondary relaxation and dynamic heterogeneity in metallic glasses:A brief review

Understanding mechanical relaxation, such as primary(α) and secondary(β) relaxation, is key to unravel the intertwined relation between the atomic dynamics and non-equilibrium thermodynamics in metallic glasses. At a fundamental level, relaxation, plastic deformation, glass transition, and crystallization of metallic glasses are intimately linked to each other, which can be related to atomic packing, inter-atomic diffusion, and cooperative atom movement. Conceptually, βrelaxation is usually associated with structural heterogeneities intrinsic to metallic glasses. However, the details of such structural heterogeneities, being masked by the meta-stable disordered long-range structure, are yet to be understood. In this paper, we briefly review the recent experimental and simulation results that were attempted to elucidate structural heterogeneities in metallic glasses within the framework of β relaxation. In particular, we will discuss the correlation amongβ relaxation, structural heterogeneity, and mechanical properties of metallic glasses.     

基于分数阶微分流变模型的非晶合金黏弹性行为及流变本构参数研究

近年来, 基于非晶合金名义弹性区的流变力学行为探索其结构及形变机理是非晶合金领域研究的热点之一. 本文根据非晶合金结构不均匀性的特征, 提出能够比拟树状分形网络结构的分数阶微分流变模型研究非晶合金的黏弹性行为. 通过室温纳米压痕实验, 对三种不同泊松比和玻璃化转变温度的非晶合金的黏弹性变形行为进行了研究. 实验结果表明: 在表观弹性区, 非晶合金的变形表现出与加载速率相关的线性黏弹性性质. 根据Riemann-Liouville分数阶微积分定义, 分别由分数阶微分及整数阶Kelvin模型对实验结果进行了分析. 分析结果表明, 相对于整数阶流变模型, 分数阶微分流变模型能更精细地表征材料的黏弹性变形特征; 在流变模型参数中, 黏性系数η_A和分数阶次α反映出材料的流变特性和流动趋势, 流变参数与玻璃转变温度、泊松比之间具有较好的相关性, 上述相关性有助于从微观结构角度理解材料塑性与泊松比的关联.     

非晶合金及合金液体的局域五次对称性

简要回顾了从20世纪30年代至今,有关非晶合金及合金液体的局域结构五次对称性的实验、理论和模拟研究.在简单液体的早期研究中,人们已经意识到五次对称性在简单液体的无序结构、过冷和晶化等起着重要作用,二十面体短程序作为五次对称性的典型代表受到了广泛关注.自从Frank提出简单液体中二十面体短程序的结构单元,大量的理论和实验研究已经明确在简单液体、合金液体和金属玻璃中存在局域五次对称性,并且建立了局域五次对称性与合金液体复杂动力学行为、玻璃转变、液体-液体相变以及非晶合金的形变等统一的定量描述和物理图像,表明了局域五次对称性作为结构参量的简单、普遍和有效性.     

On the Relationship between the Properties of Metallic Glasses and Their Maternal Crystals

Physics of the Solid State - It is reasonable to anticipate a relationship between the properties of metallic glasses (MGs) and the properties of their maternal crystals. With few exceptions, this...     

Serrated magnetic properties in metallic glass by thermal cycle

Fe-based metallic glasses(MGs) with excellent soft magnetic properties are applicable in a wide range of electronic industry. We show that the cryogenic thermal cycle has a sensitive effect on soft magnetic properties of Fe_(78)Si_9B_(13) glassy ribbon. The values of magnetic induction(or magnetic flux density) B and H_c coercivity c show fluctuation with increasing number of thermal cycles. This phenomenon is explained as thermal-cycle-induced stochastically structural aging or rejuvenation which randomly fluctuates magnetic anisotropy and, consequently, the magnetic induction and coercivity. Overall,increasing the number of thermal cycles improves the soft magnetic properties of the ribbon. The results could help understand the relationship between relaxation and magnetic property, and the thermal cycle could provide an effective approach to improving performances of metallic glasses in industry.     

Ideal shear banding in metallic glass

As the most fundamental deformation mechanism in metallic glasses (MGs), the shear banding has attracted a lot of attention and interest over the years. However, the intrinsic properties of the shear band are affected and even substantially changed by the influence of non-rigid testing machine that cannot be completely removed in real compression tests. In particular, the duration of the shear banding event is prolonged due to the recovery of the stressed compliant frame of testing machine and therefore the temperature rise at the operating shear band is, more or less, underestimated in previous literatures. In this study, we propose a model for the ‘ideal’ shear banding in metallic glass. The compliance of the testing machine is eliminated, and the intrinsic shear banding process is extracted and investigated. Two important physical parameters, the sliding speed and the temperature of shear band, are calculated and analysed on the basis of the thermo-mechanical coupling. Strain-rate hardening is proposed to compensate thermal softening and stabilise the shear band. The maximum value of the sliding speed is found to be on the order of 10 m/s at least, and the critical temperature at which strain-rate hardening begins to take effect should reach as high as 0.9T_g (T_g is the glass transition temperature) for a stable shear banding event in metallic glass according to the early experimental data. This model can help to understand and control the shear banding and therefore the deformation in MGs.     

非晶合金的磁热效应及磁蓄冷性能

非晶合金的功能物性开发是突破非晶合金应用瓶颈的关键点之一.磁相变是非晶合金的一个重要特征.利用非晶合金的磁相变所带来的独特效应,可以将其应用于制冷领域.一方面非晶合金的磁热效应可以作为磁制冷材料应用于磁制冷机,另一方面非晶合金的比热突变可以作为磁蓄冷材料应用于低温制冷机.本文就非晶合金的磁热效应和磁蓄冷性能的原理、特征及其应用前景进行了详细介绍.