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西工大《IJP》: 便于操作的机械循环,实现金属玻璃结构回春!

 材料科学网 2022-09-26 发表于江西

金属玻璃因其优异的力学性能和功能特性而受到材料科学和凝聚态物理领域的青睐。金属玻璃通常是通过合金熔体通过极速快冷过程制备得到,物理时效使金属玻璃向更稳定的结构状态发生转变,从而破坏其性能并限制了金属玻璃的广泛应用。结构弛豫的反向过程称为回春,可以诱导金属玻璃达到更高的能量状态,但现有的回春策略往往存在技术复杂性问题。因此,关于金属玻璃回春简易方法的开发是本领域亟待解决的重要科学问题之一。此外,环境温度在各种回春方法中起着至关重要的作用,在某种程度上,环境温度也决定了动力学弛豫行为的发生,如玻色子峰、γ弛豫、慢b弛豫、a弛豫等。这反过来又引出了一些有趣的问题:是否有可能通过调整b弛豫行为来实现回春,以及b弛豫和金属玻璃回春之间的关联是什么?

来自西北工业大学的乔吉超教授团队、西班牙加泰罗尼亚理工大学Eloi Pineda教授、中国科学院力学研究所王云江研究员和香港城市大学杨勇教授等,通过易于操作的机械循环调控金属玻璃的b弛豫行为。在实验和理论研究基础上,建立了b弛豫行为、循环变形与回春行为之间的关联。结果表明,即使在极少的循环(102次拉伸载荷循环)和较低的频率(10-3 Hz)下,机械循环仍可激发限制在弹性基体中冻结的流动缺陷,进而形成一个回春的玻璃结构并增强微观结构非均匀性,同时也从机械循环强度和时间角度构建了金属玻璃结构回春和物理老化之间的竞争谱图。相关论文以题为“Achieving structural rejuvenation in metallic glass by modulating β relaxation intensity via easy-to-operate mechanical cycling”发表在International Journal of Plasticity上。

论文链接:

/science/article/pii/S0749641922001814

1 典型的机械循环应力应变随时间的演化关系和动力学弛豫谱图。

2 不同振幅、循环速率和平均应力条件下应变、蠕变能、循环能随时间的演化。

3不同振幅、循环速率和平均应力条件下蠕变应变的演化和相应的弛豫时间谱。

4 铸态、不同振幅、循环速率和平均应力条件下和弛豫态样品的损耗模量随温度的演化以及b弛豫特征时间和激活能随机械循环参数的演化。

5  a)老化和回春对动力学弛豫时间演化影响的示意图。插图从微观角度展示了流动缺陷、老化、回春与b弛豫行为之间的关联;b)机械循环过程中老化和回春的竞争关系;c) 老化和回春的结构指标。

总之,作者通过机械循环调控金属玻璃b弛豫强度实现了结构回春。他们发现即使在极少的周期和较低的频率下,机械循环也调控金属玻璃的微观结构非均匀性。基于不同的热力学或力学条件,金属玻璃可以在很大程度上实现老化或者回春。机械循环在实现金属玻璃回春方面具有巨大潜力,可以在不引入剪切带等外部缺陷的情况下拓宽玻璃态范围。随着机械循环强度(应力幅值、应力率或平均应力)的增加,金属玻璃机械能增加,这种输入的额外的机械能可以抑制和抵抗老化,从而实现金属玻璃回春。两相模型表明动态循环载荷可以激发金属玻璃微观结构上被冻结的流动缺陷,调控b弛豫行为,进而利于评估流动缺陷、回春行为和b弛豫之间的关联。这些新发现有助于增进对通过机械循环实现金属玻璃回春的进一步认识。(文:Keep real

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