| 引文格式 |
| C.B. Jin，Y Z W, J.N. Wang, F. Han, M.Y. Tan, F.C. Wang, J. Xu, J. Yi, M.C. Li*, Y. Zhang, J.T. Huo, J.Q. Wang*, M. Gao*. Nanoscale viscoelastic transition from solid-like to liquid-like enables ductile deformation in Fe-based metallic glass[J]. Journal of Materials Science & Technology (in press) 2024. |
| 题目 |
| 从类固体到类液体的纳米级粘弹性转变诱导铁基金属玻璃的延性变形 |
| Title |
| Nanoscale viscoelastic transition from solid-like to liquid-like enables ductile deformation in Fe-based metallic glass |
| 专家照片
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| 座右铭 |
| 博观而约取，厚积而薄发 |
| 个人简介 |
| 黎明灿，男，汉族，中共党员，工学博士。新疆大学材料科学与工程学院副教授，博士研究生导师，主要从事非晶态固体力学方面的研究工作。近五年主持国家自然科学基金两项、新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目两项。在亚稳态金属材料的变形和断裂机理方面取得了一系列新颖的研究成果并相继发表于Journal of Materials Science & Technology, Materials Science and Engineering: A, Journal of Alloys and Compounds等国际高水平期刊，获 “第十六届新疆维吾尔自治区自然科学优秀学术论文”三等奖一项（排名第一）。 |
| 研究领域 |
1、亚稳态金属材料的变形和断裂机理
2、高熵合金的强韧化 |
| 研究背景/选题意义/研究价值 |
| 铁基金属玻璃具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低磁滞损耗等优异软磁性能，已成为无线充电和下一代电力变压器铁芯的最佳候选材料之一。然而，由于金属玻璃的塑性变形通常由高度局域化的纳米尺度剪切带承载，而剪切带一旦形成极易快速失稳扩展，引起金属玻璃的脆性断裂。深入研究制备过程冷却速率对金属玻璃微观结构非均匀性及剪切带形核动力学的影响，建立冷却速率与塑性变形能力的定量关联，对实现金属玻璃精准塑性改性并拓展其实际应用至关重要。在本文工作中，我们选择了工业上极具应用潜力的一种铁基软磁金属玻璃作为研究对象，系统研究了不同冷却速率下铁基金属玻璃纳米级结构不均匀性的演变、剪切带形核动力学和塑性变形行为。建立了受冷却速率主控的金属玻璃纳米尺度结构不均匀性与剪切带形核行为及变形模式之间的内在关系。 |
| 主要研究内容 |
| 通过单辊旋淬法制备了不同冷却速率的Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1金属玻璃薄带样品，并将冷却速率由小到大的三组样品其分别记为Glass 1、Glass 2和Glass 3。图1的结果证实了三组金属玻璃样品都是完全非晶态结构。 
图1. 铁基非晶合金薄带的制备示意图及三组样品的X射线衍射和高分辨透射电镜图像 图2是三组样品的微柱压缩实验结果，对于冷却速率较低的Glass 1，其变形模式呈现出典型的脆性断裂特征，仅形成了单一的剪切带，未观察到塑性变形。而Glass 2在压缩变形过程中生成了少量的次生剪切带，相应的应力-应变曲线显示了几个明显的锯齿状流动，这些流动反映了有限的塑性变形。对于冷却速率更高的Glass 3，样品表面形成了大量剪切带，其应力-应变曲线中出现了一系列小而密集的锯齿状流动事件，对应着更为显著的塑性变形能力。
图2. 三组样品微柱压缩后的表面形貌及应力-应变曲线 图3（a）展示了纳米压痕过程中观察到的“First pop-in”现象，它通常对应着初始剪切带的形成。对大量独立“First pop-in”事件对应的载荷进行统计分析，结果如图3(b)-(d)所示，随着冷却速率的增加，“First pop-in”载荷的累计分布向较低载荷范围偏移，说明在较高冷却速率下剪切带更易于形核。同时，图3(d)的结果表明，在金属玻璃中存在两种剪切带形核模式。并且随着冷却速率的增加，剪切带的形核模式发生了由高载荷主导向低载荷主导的模式转变。
图3. 三组样品的纳米压痕P-h曲线及对“First pop-in”事件对应载荷的统计分析 图4的结果表明，随着外加载荷的变大，每一种形核位点均显示出从低载荷区域主导向高载荷区域主导的转移趋势，说明剪切带形核有两种不同位点在变形过程的不同阶段分别占据主导作用。同时，随着冷却速率的提高，两种形核位点的密度峰值均有所增加，意味着更高的冷却速率能够诱发更多的剪切带形核位点。尤其是，低载荷区域的形核位点增加速度超过高载荷区域，表明低载荷区域的形核位点密度对冷却速率更为敏感。因此，越大的冷却速率对应着越多的低载荷区域内的剪切带形核位点被激活，使剪切带的形成更加容易，从而有利于提高金属玻璃的塑性。
图4. 剪切带形核密度和形核模式随冷却速率的变化 图5展示了三种金属玻璃的纳米尺度粘弹性分布形貌特征，通过对比分析可知，在Glass 1中，分层的粘弹性结构可以被视为类液区嵌入在类固区的弹性矩阵中，类液区所占比例较小；在Glass 2中，类液区在整个粘弹性结构中占据的比例有所增加，可视为类固区逐步转变为类液区；对于Glass 3，类液区的比例超过了类固区，意味着分层粘弹性结构向类固区嵌套在类液区弹性矩阵中的模式转变。此外，随着冷却速率的提高，类液区的典型长度也从几纳米增加到几十纳米，表明较高的冷却速率倾向于形成更大尺寸的类液体区域。
图5. (a) Glass3的表面形貌；(b)-(d) 三种金属玻璃纳米尺度粘弹性的分布特征 综上所述，较高冷却速率能够促使金属玻璃展现出伴随更多剪切带形成的塑性变形模式。因为冷却速率的提升，导致剪切带形核模式从高载荷向低载荷转变且伴随着形核位点的增加，粘弹性模式也由类固体模式向类液体模式过渡，这都有利于多重剪切带的形成，进而显著改善金属玻璃的塑性变形能力。 |
| 主要创新点 |
（1）建立了金属玻璃剪切带形核动力学与纳米级粘弹性结构不均匀性的物理关联，突破了传统唯象学定性分析的局限。
（2）揭示了冷却速率主控的金属玻璃变形行为韧脆转变的纳米级结构根源，为金属玻璃的塑性改性提供了新的策略。 |
