太原理工《Scripta Materialia》：大块金属玻璃的流动模型！

大块金属玻璃是一种具有优良力学和物理性能的新型合金，在工程应用方面具有广阔前景。当温度远低于玻璃转变温度时，大块金属玻璃通常通过局部流动，在纳米跨越剪切带内引发非均匀塑性变形，表现为工程应力-应变曲线上的锯齿流变行为。为了更好地理解大块金属玻璃宏观塑性变形行为，迫切需要从原子尺度上对剪切带的萌生和发展进行深入研究。

根据自由体积理论，单个原子跃迁被认为是剪切带形成和传播的起源，导致应力-应变曲线上的锯齿流变行为。实验证明大块金属玻璃的锯齿流变行为与非锯齿流变行为之间的过渡遵循Arrenius型方程。换句话说，对于一系列不同成分的大块金属玻璃，剪切带速度遵循Arrhenius定律。尽管对大块金属玻璃的剪切带速度有广泛的研究，但现有手段难以表征分析原子的结构无序排列，结构信息与力学行为之间的关系尚不清楚。因此，要全面了解大块金属玻璃的塑性流动性质，就必须从微观层面的物理机制入手。

基于此，太原理工大学乔珺威教授团队通过整合一系列具有塑性和剪切带机制之间的Arrhenius定律，提出一种基于自由体积理论和脆性固体断裂理论的塑性本构方程，用于描述大块非晶合金的塑性流动。相关论文以题为“A flow model in bulk metallic glasses”发表在Scripta Materialia上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222005425

图1 a) Vit 105大块金属玻璃的工程应力应变曲线；b) a)图屈服点前放大部分，呈现渐进式生长传播方式； c) 图屈服点后放大部分，呈现同步滑动传播模式。(d)单个原子跳跃机制； e)剪切带-尖端传播机制。

图2一系列大块金属玻璃的剪切带速度的Arrhenius定律图。

图3大块金属玻璃在不同温度下随应变率变化从锯齿向非锯齿流动的转变。

图4 大块金属玻璃在任意温度下的剪切带速度符合Arrhenius方程描述。

研究人员得到了在大块金属玻璃宏观屈服点附近的工程应力-应变曲线，在压缩下的剪切带具有两种传播模式：渐进式增长和同步滑动传播模式。同时，他们总结了一系列具有可塑性的大块金属玻璃中遵循阿伦尼乌斯定律的剪切带机制。通过适用于大块金属玻璃的自由体积理论和脆性固体断裂理论，建立了剪切带传播速度的本构方程。进而推导出大块金属玻璃在单轴压缩下的流动模型，定义了Arrhenius定律。同时将每个大块金属玻璃在某一温度下的剪切带速度代入本模型得到全新的方程，可以与多个不同温度下剪切带速度的实验数据进行对比。

与之前工作报道的许多实验相比，目前的模型不仅可以准确预测大块金属玻璃中锯齿状和非锯齿状流动之间的过渡，此外，选择合适的应变速率和温度来调节剪切带的产生和数量密度，可以进一步提高大块金属玻璃的塑性，对设计具有韧性和高剪切稳定性的新型大块金属玻璃具有理论指导意义。（文：Keep real）