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在晶体材料中,塑性变形是通过低能量的缺陷(如位错、孪晶等)运动实现的,他们存在的基础是原子在空间上的长程有序性和对称性。然而,在无序体系中塑性变形又是如何进行的呢?这个问题既有理论意义也有非常重要的应用背景。它是材料科学和凝聚态物理所面临的一个难题。
金属玻璃是简单和典型的无序体系,具有非常独特的力学行为,它的强度已经接近了理论极限,在不同温度范围和应变率范围表现出不同的变形模式。在低温下和常温下,金属玻璃的塑性变形集中在剪切带中,导致加工软化和缺乏明显的宏观拉伸塑性。这成为了限制金属玻璃广泛应用的瓶颈,为了突破这个瓶颈,需要了解金属玻璃的变形机制,另一方面金属玻璃为研究无序体系的塑性变形机理提供了模型材料体系。
金属玻璃处于一种能量亚稳态,弛豫是金属玻璃的内在性质。在玻璃态中,β弛豫是最主要的弛豫模式,这一弛豫过程对玻璃转变、塑性变形都会产生重要影响。
本文从金属玻璃的β弛豫角度出发,从理论和实验上研究塑性变形机制和β弛豫之间的联系。对β弛豫的激活能做了详细的表征,从微观和宏观两个角度,阐述了塑性变形基本单元(剪切过渡区STZ)与β弛豫之间的关系。
金属玻璃塑性变形基本单元STZ的激活能WSTZ和β弛豫的激活能Eβ在量值上是一一相等的,即Eβ=WSTZ,这揭示了金属玻璃塑性变形和弛豫之间的内在联系,同时也为解释β弛豫的结构起源提供了新的线索。本论文认为非均匀结构是STZ和β弛豫发生的共同结构基础,二者具有相似的位形结构。
从β弛豫和STZ关联的角度开发了一种能够在室温附近进行拉伸塑性变形的新型La基金属玻璃,在该体系中β弛豫的完全激活导致金属玻璃拉伸塑性变形成为可能。
这种新型La基金属玻璃会发生从低温、高频到高温、低频的韧脆转变,该转变的特征激活能和Eβ相等,也和WSTZ相等,从宏观上表明韧脆转变和STZ的运动以及β弛豫之间的关联。金属玻璃的韧脆转变和β弛豫符合相同的时间-温度标度关系。总结了通过β弛豫获得拉伸塑性变形的条件:即保证塑性变形在时间(应变率)和温度两个尺度上匹配β弛豫的激活。