《Acta Materialia》：金属玻璃研究领域取得重要进展！

塑性变形和弛豫动力学是玻璃物理学的两大课题。在宏观尺度上，二次 (β )弛豫被认为是无定形固体（例如金属玻璃 (MG)）中的相关塑性机制。然而，由于传统计算机模拟时间尺度的限制，这种相关性是否可以在原子水平上得到证明，或者它只是一种平均场意义上的相关性，仍然是一个悬而未决的问题。

来自宁夏大学、中国科学院力学研究所和华中科技大学的学者进行了元动力学增强的分子动力学模拟，以研究基本的原子重排机制，直到实验相关的时间尺度（最多毫秒）。研究表明，在具有明显β弛豫的独特 Al₉₀Sm₁₀MG 中，引发塑性变形的原子正是那些易于发展弦状协同运动的原子，正如从β弛豫的角度所预期的那样。对于没有明显β弛豫的Y₆₅Cu₃₅MG，在参与原子的变形中很少观察到弦状运动，尽管它们的原子位移也以相关方式对齐。因此，本研究的实验室长期观察能够在非晶态材料中就地构建剪切变形、松弛和链状运动等多种概念之间的基本联系。相关文章以“Fundamental links between shear transformation, relaxation, and string-like motion in metallic glasses”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118701

图1.金属玻璃等构型系综模拟示意图。

图 2.通过模拟获得的两种金属玻璃的弛豫和力学行为。(a) Al₉₀Sm₁₀ 和 Y₆₅Cu₃₅金属玻璃在振荡周期 t = 1 μs 时的损耗模量E”。(b) Al₉₀Sm₁₀ 和 Y₆₅Cu₃₅金属玻璃在恒定应变率 ̇ε= 10⁸s⁻¹和温度 T = 300 K 下的应变-应力曲线。

图 3. Al₉₀Sm₁₀金属玻璃中加速原子的回火元动力学采样。(a, b) RMSD 的时间演变。(c, d) 自由能曲线与 RMSD。插图显示了增加的偏置电位。

图 4 Al₉₀Sm₁₀金属玻璃在 300 K 采样后不同 ST 原子簇的统计结果。(a, b) 自由能垒 ΔG₂的直方图和 26 个选定事件的跳跃孵育时间。(c) Al₉₀Sm₁₀金属玻璃的β弛豫图。

图 5. Y₆₅Cu₃₅金属玻璃中原子重排事件的回火元动力学采样。(a, b) RMSD 的时间演变。(c, d) 自由能曲线与 RMSD。

图 6. Al₉₀Sm₁₀和 Y₆₅Cu₃₅ MGs 中加速原子与周围原子的协同运动。t₀表示初始配置，t₁和 t₂是在消除热波动后由 CV 轨迹发出的第一次和第二次跳跃后的状态。

图 7.两种金属玻璃的结构差异分析。(a) Al₉₀Sm₁₀ 和 Y₆₅Cu₃₅MG 中 w 值的分布。(b, c) Al₉₀Sm₁₀和Y₆₅Cu₃₅金属玻璃结构差异的二维示意图。

图 8.两种金属玻璃的配位数分析

总之，通过在实验室条件下进行分子动力学模拟，本研究捕获了塑性变形基本单元 (ST) 的特定运动机制。ST 中涉及的原子倾向于形成弦状运动。在一些系统中，由于其独特的结构特征，这种弦状运动很容易被激发并且不受空间限制，例如 Al₉₀Sm₁₀ MG，它表现出显着的松弛特征。这种金属玻璃在宏观尺度上也容易变形。在其他系统中，例如 Y₆₅Cu₃₅ MG，弦状运动被大冻结环境抑制。因此，弦状集体运动很难被激发并且不会传播，导致在环境温度或常规时间尺度下普遍缺乏显着的弛豫和相对较小的变形能力。本研究的模拟提供了令人信服的原子尺度成分，以在 ST、松弛和类弦运动之间建立基本联系，所有这些都是无定形固体中的普遍概念，但从未统一过。因此，长时间尺度的观察也为无序材料塑性变形的微观起源提供了物理洞察力。最后，这项工作还强调了研究长时间尺度上玻璃材料动力学的重要性，这在计算材料科学和凝聚态物理学中很重要。（文：SSC）