物理所非晶塑性机理研究取得新进展

2010-7-21 00:00 来源: 物理研究所
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  非晶合金的塑性变形机理一直是材料科学及凝聚态物理领域研究的热点课题之一。非晶态合金和传统的晶态合金不同,在非晶合金中原子排列无序,没有晶态合金中的位错,晶界等典型晶体缺陷。因此,非晶合金没有好的塑性形变能力,也就是说非晶对于外加应力没有好的耗散机制。通常情况下室温变形时,几乎所有的应力和应变都高度集中在厚度只有几十个纳米左右的剪切带内,由于剪切带附近局域温度升高和剪切膨胀效应,剪切带迅速软化并扩展成裂纹,造成非晶合金的灾难性断裂。因此剪切带的产生对非晶断裂有重要作用。但多重剪切带的产生和相互作用,如网络型的多重剪切带,可以起到耗散能量,分散应力的作用,从而在体系中产生一定的塑性形变。因此,研究非晶合金中的塑性变形机理对认识非晶形成的本质,探索有实际应用价值的塑性非晶合金具有重要意义。

  中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组前几年开发出一系列大塑性非晶合金材料,为研究非晶塑性机理这一重要材料和物理问题提供了模型体系。此后该研究组一直致力于非晶塑性机理的研究,并在最近取得新的进展。

  在非晶合金研究中玻璃转变和形变是两个非常重要的基本科学问题,它们貌似不相关,实际上,大多数情况下也是被独立进行研究的。玻璃转变是液体向非晶态固体转变的一个流动问题。2009年该研究组和日本东北大学合作发现,非晶合金的塑性形变和玻璃转变密切相关[柳延辉等, Phys. Rev. Lett. 103, 065504 (2009)]。此后,在多年研究非晶合金中玻璃转变,弹性性能和非晶形变的工作基础上,该研究组进一步考察了玻璃转变和塑性形变的关系,发现非晶合金的塑性形变的基本单元(切向转变区域)和玻璃转变的基本驰豫之一“Beta驰豫” 在激活能上几乎相等,这说明非晶的形变和玻璃转变有共同的结构起源[于海滨等, Phys Rev B 81, 220201(R) (2010)]。 该工作表明非晶形变机理问题和玻璃转变一样可以统一从流动(Flow)的角度来进行研究。

  前面已经陈述非晶合金的塑性和非均匀流变密切相关。在受限的加载(如压缩,纳米压痕等)条件下,非晶材料通常表现为非晶合金应力-应变曲线上的锯齿流变现象。锯齿状流动现象反映了剪切带的间歇性运动行为,因此研究锯齿流变可以从时域上来研究剪切带动力学。虽然经典的非晶变形的“自由体积” 和“STZ”理论可以解释非晶变形的局域化即剪切带的形成,但并不能解释这种锯齿流变现象。最近,该研究组孙保安等从流动的角度,用非平衡态统计力学方法系统研究了锯齿流变现象和非晶塑性机理之间的关联。通过采用动力学中常用的时间序列分析方法及统计方法对具有不同塑性的非晶合金在压缩过程中的锯齿行为进行数值分析,发现脆性非晶合金(塑性应变<5%)的剪切带动力学具有混沌(chaos)行为特点,锯齿分布成峰状分布,具有一定的相关作用维数及正的Lyapunov维数。而韧性非晶合金在变形过程中可以演变成自组织临界状态(self-organized criticality),表现为锯齿大小的power-law分布,这是自组织临界状态的重要特征之一。这种动力学特征的出现是非晶合金具有塑性的重要机制之一。目前人们发现在自然界及物理、生物等领域很多复杂动力学系统中都存在自组织临界状态,如地震、磁畴动力学,材料的断裂等。这种状态通常表现为动力学事件在时间或空间上没有特征的尺度分布(scale-free),内部大量的动力学单元之间的复杂相互作用等。韧性非晶合金能演化到这种动力学状态,说明其在流变、变形过程中剪切带的运动是非常复杂的,必须考虑多重剪切带之间的相互作用。因此他们提出了一个多重剪切带的动力学模型,在这个模型中考虑了剪切带之间的相互作用项。随后的理论分析及数值计算结果表明,大量剪切带在相互作用下可以自然地演化到自组织临界状态,计算所得到锯齿分布幂指数和实验得出的结果基本一致。

  他们的研究结果表明,在韧性非晶合金中,单个锯齿并不对应一条剪切带的传播或扩展,而是多个剪切带之间协同运动的结果。这对人们认识非晶合金的塑性变形机理,控制剪切带的形成和发展,提高非晶合金的塑性具有重要意义。另一方面,他们的结果表明多重剪切带之间的相互作用与描述地壳运动的模型在形式上有相似性,因此,非晶态体系或许可以成为模拟地壳动力学及地震的一个模型体系。

  相关研究发表在近期的Phys Rev Lett 105, 035501(2010)上。相关工作得到了国家自然科学基金,973项目和中科院国际合作团队项目的支持。