非晶合金塑性理論研究進(jìn)展

蔣敏強(qiáng)

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

1 前言

一般而言，固體的彈性變形主要取決于內(nèi)部原子之間的相互作用，而塑性變形則需要考慮微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。傳統(tǒng)晶態(tài)固體的塑性流動(dòng)可以用基于位錯(cuò)、孿晶等機(jī)制的經(jīng)典塑性理論描述。但是，非晶合金(也稱金屬玻璃)內(nèi)部原子排列呈現(xiàn)長(zhǎng)程無(wú)序性，且不存在位錯(cuò)、晶界等傳統(tǒng)意義上的晶體缺陷，這導(dǎo)致經(jīng)典塑性理論遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)的最根本原因在于對(duì)非晶合金原子結(jié)構(gòu)圖像的認(rèn)知還遠(yuǎn)不完善[1-6]。盡管如此，關(guān)于非晶合金的塑性流動(dòng)，有一個(gè)基本的圖像得到了該領(lǐng)域內(nèi)的廣泛認(rèn)可。那就是塑性流動(dòng)的元過(guò)程是一種在激活能驅(qū)動(dòng)下能夠容納剪切變形的局部原子瞬態(tài)重排過(guò)程。這一動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)重排過(guò)程通常被稱為“流動(dòng)事件(Flow E-vent)”。因此，如何建立這種微觀動(dòng)態(tài)“流動(dòng)事件”與宏觀塑性變形之間的聯(lián)系，以及捕捉、表征在變形過(guò)程中“流動(dòng)事件”的時(shí)空演化，就成為建立非晶塑性理論的核心問(wèn)題。

2 非晶塑性理論

2.1 “自由體積”理論

最早在這個(gè)方面取得突破的是美國(guó)哈佛大學(xué)的Spaepen F教授。他通過(guò)發(fā)展描述玻璃和液體擴(kuò)散流動(dòng)的經(jīng)典“自由體積(Free-Volume)”理論[7-8]，建立了非晶塑性流動(dòng)的自由體積理論[9]。該理論本質(zhì)上是將“流動(dòng)事件”看作是在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下，單個(gè)原子以類似擴(kuò)散跳躍的方式導(dǎo)致自由體積的產(chǎn)生(見(jiàn)圖1)，一系列離散的原子跳躍最終引起宏觀上的塑性流動(dòng)。

基于這一物理圖像，Spaepen建立了以自由體積為內(nèi)變量的塑性流動(dòng)本構(gòu)模型，其中宏觀塑性應(yīng)變率˙γp可以表達(dá)為公式(1):

式中，第一項(xiàng)表示原子處在潛在跳躍點(diǎn)的幾率(這與自由體積直接相關(guān))，其余項(xiàng)表示原子發(fā)生跳躍的頻率(類似于Eyring率因子，取決于應(yīng)力、溫度和勢(shì)壘)。在公式(1)中，χ是考慮原子疊加的一個(gè)幾何因子，v*是臨界體積(一般近似為原子的硬球體積)，vf是每個(gè)原子的平均自由體積，f是原子振動(dòng)頻率(通常取為Debye頻率)，ΔGm是激活能，kB是Boltzmann常數(shù)，T是溫度，τ是剪應(yīng)力，Ω是原子體積。通過(guò)考慮應(yīng)力驅(qū)動(dòng)引起的產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)弛豫導(dǎo)致的湮滅兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，Spaepen還推導(dǎo)了自由體積的運(yùn)動(dòng)方程，如公式(2):

式中，nD是湮滅自由體積v*所需的原子跳躍步數(shù)，S是Eshelby模量。

從公式(2)可以看出，非晶塑性變形的自由體積理論本質(zhì)上是將熱漲落驅(qū)動(dòng)下原子平衡擴(kuò)散模型推廣到剪應(yīng)力(或偏應(yīng)力)驅(qū)動(dòng)下的原子非平衡跳躍，從而導(dǎo)致自由體積的產(chǎn)生。在晶態(tài)固體中，這種類似于擴(kuò)散的原子跳躍通常需要壓力或者正應(yīng)力梯度驅(qū)動(dòng)。然而，在這個(gè)模型中，原子跳躍主要是由剪應(yīng)力驅(qū)動(dòng)。我們推測(cè)，其物理圖像可能起源于非晶合金固有的原子尺度的剪脹效應(yīng)[10-12]，即無(wú)序原子在受到偏應(yīng)力作用時(shí)將自發(fā)的產(chǎn)生一個(gè)球應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)原子擴(kuò)散跳躍，從而引起自由體積的產(chǎn)生。自由體積理論提供了一種描述非晶合金塑性流動(dòng)相對(duì)完整且簡(jiǎn)單實(shí)用的模型體系，并為此后非晶塑性理論的進(jìn)一步發(fā)展指明了方向。自1977年建立以來(lái)，自由體積理論得到廣泛的應(yīng)用和諸多實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。例如，在自由體積理論框架下，Johnson發(fā)展了一個(gè)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下動(dòng)態(tài)自由體積的自洽模型[13]。最近，該理論模型還被發(fā)展來(lái)描述非晶合金的大變形[14]、熱力耦合效應(yīng)[15-16]，甚至塑性流動(dòng)的局部化剪切帶過(guò)程[17-19]。

2.2 “剪切轉(zhuǎn)變”理論

受經(jīng)典皂泡伐變形模型實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)[20-21]，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Argon A S教授提出了“剪切轉(zhuǎn)變(Shear Transformation，ST)”的概念[22]，認(rèn)為參與“流動(dòng)事件”的原子不是單個(gè)，而是幾個(gè)到數(shù)百個(gè)。“流動(dòng)事件”被描述為包括幾個(gè)到幾百個(gè)原子的集團(tuán)(Group)的局部結(jié)構(gòu)重排，見(jiàn)圖2。在熱力耦合作用下，材料通過(guò)一系列的“剪切轉(zhuǎn)變”過(guò)程，容納局部的塑性剪切變形，最終以一種類似雪崩(Avalanche)自組織的方式導(dǎo)致宏觀尺度的塑性流動(dòng)。在這個(gè)理論中，原子集團(tuán)的“剪切轉(zhuǎn)變”被認(rèn)為是非晶合金塑性變形的基本單元或過(guò)程。Argon進(jìn)一步認(rèn)為，這些“剪切轉(zhuǎn)變”過(guò)程并不是自由的，而是被周圍沒(méi)有發(fā)生“剪切轉(zhuǎn)變”的彈性介質(zhì)約束著。因此，“剪切轉(zhuǎn)變”類似于經(jīng)典的Eshelby夾雜，將在周圍彈性介質(zhì)中產(chǎn)生各項(xiàng)異性的彈性應(yīng)力場(chǎng)。基于Eshelby的等效夾雜理論[23]，他計(jì)算了這種“剪切轉(zhuǎn)變”的激活自由能[22，24]，如公式(3):

式中，v是泊松比，τ0是無(wú)熱剪切應(yīng)力，μ(T)是溫度依賴的剪切模量，Ω0是STZ的特征體積。括號(hào)中的第2項(xiàng)表征了伴隨著“剪切轉(zhuǎn)變”的體脹能，這里l是體脹應(yīng)變和剪切應(yīng)變的比值。“剪切轉(zhuǎn)變”的特征剪切應(yīng)變?chǔ)?依賴于材料和狀態(tài)，通常在百分之幾。將非晶合金的典型參數(shù)代入方程(3)，可以得到單個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”的激活能，通常在1～5 eV[24]。此外，宏觀塑性應(yīng)變率可以表達(dá)為公式(4):

圖2 一個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”過(guò)程的示意圖Fig.2 Illustration of a“shear transformation”process

式中，Vα=γ0Ω0是STZ的激活體積，α0是與發(fā)生塑性變形的材料體積分?jǐn)?shù)相關(guān)的因子。Argon特別強(qiáng)調(diào)[25-26]，“剪切轉(zhuǎn)變”不是非晶內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，而是一種描述原子集團(tuán)結(jié)構(gòu)重排的動(dòng)態(tài)事件或過(guò)程。但是，這并不意味著“剪切轉(zhuǎn)變”與材料結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。相反，“剪切轉(zhuǎn)變”強(qiáng)烈依賴材料的微觀結(jié)構(gòu)，易于在自由體積較高的局部區(qū)域優(yōu)先激活[25]。事實(shí)上，“剪切轉(zhuǎn)變”可以通過(guò)上述的α0因子與自由體積關(guān)聯(lián)。例如，Spaepen就提出[27]，只有那些高自由體積點(diǎn)才對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)，如公式(5):

這樣，在“剪切轉(zhuǎn)變”模型體系下，我們?nèi)匀豢梢砸胱杂审w積這一對(duì)非晶合金流動(dòng)至關(guān)重要的物理量。后來(lái)，Spaepen在自由體積模型框架下，通過(guò)定義類似“剪切轉(zhuǎn)變”的“流動(dòng)缺陷(Flow Defect)”概念，將單原子跳躍成功推廣到了多原子的重排，也可以獲得類似方程(4)的塑性應(yīng)變率方程。但是，如果在“剪切轉(zhuǎn)變”模型中考慮自由體積，那么必須解決“剪切轉(zhuǎn)變”和自由體積演化的相互作用機(jī)制這一關(guān)鍵問(wèn)題。

自從“剪切轉(zhuǎn)變”理論提出以后，各國(guó)科學(xué)家都試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論和模擬來(lái)捕捉、描述這種獨(dú)特的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的熱激活事件。直到最近，Schall等[28]才通過(guò)一種膠體玻璃的剪切實(shí)驗(yàn)，獲得了這種“剪切轉(zhuǎn)變”的實(shí)驗(yàn)圖像。圖3給出了膠體玻璃中一個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”事件的二維圖像。圖3中虛線圓圈內(nèi)的膠體粒子(可比擬于原子)通過(guò)經(jīng)歷一次“剪切轉(zhuǎn)變”，容納了10%左右的剪切應(yīng)變，同時(shí)導(dǎo)致周圍彈性介質(zhì)中產(chǎn)生了4個(gè)負(fù)應(yīng)變區(qū)域(Eshelby應(yīng)變場(chǎng))。但是，從微觀單個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”過(guò)程到宏觀塑性流動(dòng)的物理圖像還不清晰，這也是目前非晶塑性理論的熱點(diǎn)之一[24，26，29-31]。

圖3 膠體玻璃中觀察到的“剪切轉(zhuǎn)變”事件的二維圖像Fig.3 Two-dimensional images of a“shear transformation”event observed in a colloidal glass

2.3 “剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”理論

1998年，F(xiàn)lak M L和Langer J S基于對(duì)非晶合金粘塑性行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬，提出了非晶合金塑性的“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)(Shear Transformation Zone，STZ)”模型[32]。該理論雖然和Argon提出的“剪切轉(zhuǎn)變”模型在名稱上僅有一字之差，但卻有本質(zhì)的區(qū)別。這主要體現(xiàn)在，“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”理論認(rèn)為在非晶合金中存在一些區(qū)域，這些區(qū)域能夠在自由體積輔助下發(fā)生從非弛豫態(tài)到弛豫態(tài)的一次性剪切轉(zhuǎn)變;而“剪切轉(zhuǎn)變”理論則認(rèn)為這些區(qū)域并不事先存在，“剪切轉(zhuǎn)變”是原子集團(tuán)經(jīng)歷一系列復(fù)雜結(jié)構(gòu)弛豫的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)果[25-26]。兩種理論在本質(zhì)上的差異，導(dǎo)致在理論建模上也存在顯著的不同:“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”常常被假定為獨(dú)立的、無(wú)相互作用的，因此，可以用平均場(chǎng)方法處理;“剪切轉(zhuǎn)變”由于Eshelby彈性場(chǎng)的存在，因此是強(qiáng)烈相互作用的，其演化應(yīng)該是類似于雪崩的自組織過(guò)程[29]。盡管如此，兩種模型還是具有一定的聯(lián)系，“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”實(shí)際上正好對(duì)應(yīng)于易發(fā)生“剪切轉(zhuǎn)變”的富自由體積區(qū)域[25]。雖然，在目前的文獻(xiàn)中，通常混淆這兩種理論模型，將它們統(tǒng)稱為“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”，但是必須意識(shí)到兩者的本質(zhì)區(qū)別。

在平均場(chǎng)理論框架下，通過(guò)假定“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”具有二態(tài)性，即“未轉(zhuǎn)變態(tài)”和“轉(zhuǎn)變態(tài)”，F(xiàn)alk和Langer建立了兩種狀態(tài)下“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”數(shù)密度為內(nèi)變量的非晶塑性本構(gòu)模型。塑性應(yīng)變率可以表述為“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”的激活體積乘以凈轉(zhuǎn)變率[32-34]，如公式(6):

式中，n±為分別處于“未轉(zhuǎn)變態(tài)”(定義為“+”)和“轉(zhuǎn)變態(tài)”(定義為“-”)的“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”數(shù)密度，R+為“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”從“+”態(tài)到“-”態(tài)的轉(zhuǎn)變率，R-則正好相反。“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”數(shù)密度n±的運(yùn)動(dòng)方程可以表達(dá)為公式(7)[32-34]:

式中，后邊前兩項(xiàng)表示“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”在應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的相互轉(zhuǎn)變率，后兩項(xiàng)分別表示“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”的產(chǎn)生和湮滅。這里“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”的產(chǎn)生和湮滅都正比于塑性功率，比例系數(shù)分別為Ccr和Cann。通過(guò)對(duì)“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”理論的進(jìn)一步發(fā)展，F(xiàn)alk、Langer等解決了非晶合金塑性的一系列問(wèn)題，比如熱效應(yīng)[34]、局部化[33]、孔洞化[35]、大尺度塑性頸縮[36]、韌脆轉(zhuǎn)變[37]等。從理論建模的角度看，“剪切轉(zhuǎn)變區(qū)”模型可以看作是“剪切轉(zhuǎn)變”理論的一種平均場(chǎng)近似和解耦處理，解決了“剪切轉(zhuǎn)變”在時(shí)間上的演化問(wèn)題。但是，這種近似處理抹掉了“剪切轉(zhuǎn)變”的空間演化圖像。

2.4 “協(xié)同剪切”模型

為了理解單個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”事件如何演化到宏觀流動(dòng)，加州理工學(xué)院Johnson W L教授和哥廷根大學(xué)Samwer K教授提出了非晶塑性流動(dòng)的“協(xié)同剪切模型(Cooperative Shear Model，CSM)”[38]。他們認(rèn)為，非晶合金的塑性機(jī)理類似于玻璃液體中的弛豫機(jī)理[31]。在弛豫過(guò)程中，一般存在兩個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程:快的β弛豫和慢的α弛豫[39]。這兩個(gè)過(guò)程可以分別比擬于單個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”事件和基本塑性事件。圖4給出了在“勢(shì)能形貌(Potential Energy Landscape，PEL)”理論[40-41]框架下兩者的比擬示意。可以看出，快的β弛豫實(shí)際上是系統(tǒng)在固有結(jié)構(gòu)(Inherent Structure，IS)內(nèi)子盆地之間的隨機(jī)跳躍事件。連續(xù)的β弛豫將使系統(tǒng)從一個(gè)能級(jí)較高的IS躍遷到能級(jí)較低的IS，從而導(dǎo)致慢的α弛豫的產(chǎn)生。Johnson及其合作者進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，非晶合金變形過(guò)程中的彈性約束的“剪切轉(zhuǎn)變”與 β弛豫密切相關(guān)[31，42]。這些滯彈性的“剪切轉(zhuǎn)變”，通過(guò)類似濾滲的方式，導(dǎo)致周圍彈性基體的崩塌。這種彈性崩塌引起的屈服事件與慢的α弛豫緊密聯(lián)系。基于Frenkel的理論[43]，Johnson和Samwer推導(dǎo)了在外力τ作用下，由一系列“剪切轉(zhuǎn)變”事件激發(fā)一個(gè)塑性事件的激活能[38]，如公式(8):

圖4 “剪切轉(zhuǎn)變”和塑性“流動(dòng)事件”的一維勢(shì)能形貌示意圖，插圖為固有結(jié)構(gòu)間α弛豫的勢(shì)能形貌全景Fig.4 Schematic of“shear transformation”events and resulting a plastic irreversible hopping event in a potential energy landscape in the vicinity of a megabasin.Inset:a full-view of potential energy landscape

式中，ω0是一個(gè)嘗試頻率。

可以看出，“協(xié)同剪切”模型給人們呈現(xiàn)了一種可能的從單個(gè)“剪切轉(zhuǎn)變”事件演變到宏觀塑性流動(dòng)的物理圖像。基于此模型，最近通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬或者間接實(shí)驗(yàn)，“剪切轉(zhuǎn)變”事件的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù):激活能[44]與特征尺寸[45-46]分別被確定。但是，“協(xié)同剪切”模型仍然是一種平均場(chǎng)意義上的理論解釋，也未能給出“剪切轉(zhuǎn)變”事件的空間演化規(guī)律。

3 塑性流動(dòng)的結(jié)構(gòu)起源

雖然非晶合金塑性的基本過(guò)程還很不清楚，但是普遍認(rèn)為這種基本過(guò)程的激活必然有其明確的結(jié)構(gòu)起源。早在20世紀(jì)80年代初，美國(guó)田納西大學(xué)Egami T教授等就從理論上預(yù)測(cè)，非晶合金短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)本質(zhì)將導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)程尺度上(大于1 nm)存在固有的非均勻性，并引起一些力學(xué)性質(zhì)如應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量等在納米尺度的空間非均勻性[47]。最近，這一預(yù)測(cè)得到了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[48-50]。考慮到基本“流動(dòng)事件”的特征尺寸通常在亞納米到納米尺度[45-46]，這種納米尺度的結(jié)構(gòu)非均勻性可能對(duì)非晶合金的塑性流動(dòng)起著至關(guān)重要的作用。近期一些工作顯示[51-52]，納米尺度結(jié)構(gòu)非均勻性顯著的一些非晶合金體系能夠表現(xiàn)出良好的宏觀塑性。事實(shí)上，Argon和Spaepen很早就提出“流動(dòng)事件”易于在自由體積較高的局部區(qū)域優(yōu)先激活[22，27]。非晶合金的結(jié)構(gòu)可以看作是自由體積較高的“類液體區(qū)(Liquid-Like Region)”分散在自由體積較低的“類固體區(qū)(Solid-Like Region)”而形成的兩相結(jié)構(gòu)[25];前者通常作為潛在的“剪切轉(zhuǎn)變”發(fā)生區(qū)域，而后者為彈性基體。但是，通過(guò)對(duì)一種鈀基非晶合金進(jìn)行超聲加速晶化，Ichitsubo等推斷出一種截然相反的結(jié)構(gòu)非均勻圖像，即非晶合金結(jié)構(gòu)主要由被“類液體區(qū)”包圍的“類固體區(qū)”組成[53]。最近，Liu等[54]和Yang等[55]分別采用精細(xì)掃描探針技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，納米尺度“類液體區(qū)”和“類固體區(qū)”的空間分布要復(fù)雜得多，結(jié)構(gòu)的液-固性質(zhì)在空間上滿足近似的高斯分布。這意味著，非晶合金局部結(jié)構(gòu)的液體性質(zhì)和固體性質(zhì)之間并不存在清晰的界限，而是一種緩慢的過(guò)渡。非晶合金結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)固體或者液體性質(zhì)還取決于外部條件和觀測(cè)手段，這恰恰反映了這類無(wú)序材料的粘彈性和流變學(xué)特性。

到目前為止，人們對(duì)于非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)，尤其是在中程有序以及長(zhǎng)程無(wú)序尺度上[5-6]的認(rèn)識(shí)還十分有限。這種局限性使得在理解基本“流動(dòng)事件”上缺乏堅(jiān)實(shí)的材料學(xué)基礎(chǔ)，這也反過(guò)來(lái)阻礙了對(duì)“流動(dòng)事件”及其時(shí)空演化的深刻理解。

4 塑性流動(dòng)局部化

在室溫下，非晶合金塑性流動(dòng)的一個(gè)顯著特征就是極易局部化形成剪切帶[56-58]。盡管非晶塑性起源于結(jié)構(gòu)重排模式的“流動(dòng)事件”這一點(diǎn)已經(jīng)得到了普遍認(rèn)可，但是塑性局部化的起源一直存在廣泛的爭(zhēng)議[59]。一般認(rèn)為，非晶合金中某些不均勻處的粘度降低進(jìn)而導(dǎo)致塑性變形能力急劇下降是形成局部化剪切帶的主要原因。但是，對(duì)于這種粘度降低的原因一直以來(lái)存在著兩種截然不同的觀點(diǎn):自由體積軟化[9，17，60]和絕熱軟化[61-62]。

自由體積軟化觀點(diǎn)認(rèn)為，非晶塑性流動(dòng)局部化剪切帶是由于一系列“流動(dòng)事件”導(dǎo)致的局部自由體積聚集，這一過(guò)程主要由應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，熱不起作用。證明這一觀點(diǎn)的最直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)就是對(duì)剪切帶內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。Li等[63]和 Gu 等[64]分別對(duì)變形后金屬玻璃中的剪切帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高分辨的透射電鏡(HRTEM)觀察(圖5a)，通過(guò)進(jìn)一步的Fourier濾波分析，發(fā)現(xiàn)在剪切帶內(nèi)部存在高濃度的納米尺度孔洞(圖5b)。這些納米尺度的孔洞與過(guò)剩的自由體積區(qū)密切關(guān)聯(lián)，表明在剪切帶內(nèi)的確存在自由體積的聚集現(xiàn)象。此外，非晶合金中剪切帶的特征厚度通常在10～20 nm尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)絕熱剪切帶的特征寬度(10 ～ 500 μm)[65-66]。這意味著非晶合金剪切帶的形成不可能由熱軟化單獨(dú)控制。

圖5 一種Zr基非晶合金中的剪切帶形貌:(a)高分辨TEM圖像，(b)內(nèi)部納米尺度孔洞Fig.5 A shear band in a Zr-based metallic glass:(a)high-resolution TEM image and(b)nanoscale voids within it

第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，非晶合金中局部粘度的降低，是由于變形能轉(zhuǎn)化為熱，引起的絕熱溫升超過(guò)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度甚至熔點(diǎn)，所導(dǎo)致的材料熱膨脹軟化。非晶合金的剪切帶失穩(wěn)類似于傳統(tǒng)晶態(tài)合金的絕熱剪切帶形成[66]，也是一種絕熱軟化過(guò)程。這種觀點(diǎn)的一個(gè)間接證據(jù)是剪切帶誘導(dǎo)的斷裂面上所觀察到的熔滴和帶狀結(jié)構(gòu)[62]。但是，這種剪切帶后期的熱現(xiàn)象很難直接證明它的起源就是熱軟化。證實(shí)非晶合金中剪切帶是否起源于熱的最有效方法是確定剪切帶內(nèi)的溫度。然而，由于受到空間和時(shí)間分辨率的限制，剪切帶內(nèi)溫度的測(cè)量和預(yù)測(cè)結(jié)果從小于0.1 K到數(shù)千 K都有，存在著很大的不一致性[61，67-71]。

在自由體積理論框架下，Dai等通過(guò)考慮熱效應(yīng)，揭示出非晶合金中剪切帶失穩(wěn)是自由體積和熱耦合軟化共同作用的結(jié)果[72]。在剪切帶失穩(wěn)過(guò)程中，自由體積的產(chǎn)生和溫升互相促進(jìn)。其中，自由體積起主控作用，熱起輔助作用，相比于絕熱溫升，自由體積的產(chǎn)生要早并且快得多[18]，見(jiàn)圖6。這種耦合軟化機(jī)制實(shí)際上和非晶塑性基本“流動(dòng)事件”是一種應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的熱激活過(guò)程是一致的[26]。Jiang和Dai進(jìn)一步對(duì)非晶合金的剪切帶演化機(jī)制進(jìn)行了研究，建立了一個(gè)剪切帶演化動(dòng)力學(xué)模型，其中考慮了動(dòng)量(慣性)、能量(溫度)以及質(zhì)量(自由體積)的耗散過(guò)程[57]。分析表明，動(dòng)量耗散與自由體積耗散的競(jìng)爭(zhēng)平衡決定了剪切帶擴(kuò)展過(guò)程的臨界耗散能。基于這個(gè)臨界能，引入了剪切帶韌性(Shear-Band Toughness)的概念，表征不同非晶合金體系對(duì)剪切帶擴(kuò)展的敏感性。

圖6 自由體積和溫度在剪切局部化過(guò)程中的演化Fig.6 Evolution of free volume and temperature during shear localization process

基于自由體積軟化的主控機(jī)制，Jiang等還對(duì)非晶合金剪切帶的特征厚度進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。剪切帶特征厚度W可以表達(dá)為公式(10)[73]:

式中，d是剪切轉(zhuǎn)變區(qū)尺寸，ξ*是剪切帶內(nèi)的臨界自由體積濃度，γC是剪切屈服應(yīng)變。公式(10)表明，非晶合金中剪切帶的厚度主要取決于微觀“剪切轉(zhuǎn)變”過(guò)程的特征尺寸以及失穩(wěn)過(guò)程中“剪切轉(zhuǎn)變”激活的自由體積濃度。理論預(yù)測(cè)(圖7)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)(10～20 nm)具有很好的一致性。從圖7可以看出，非晶合金剪切帶厚度背后的物理含義是“剪切轉(zhuǎn)變”運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的局部拓?fù)涫Х€(wěn)[73]，而熱塑剪切帶的特征厚度主要取決于熱產(chǎn)生和熱擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡[66]。

圖7 非晶合金剪切帶特征厚度的理論預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction of shear-band thickness in metallic glasses

5 結(jié)語(yǔ)

非晶合金的大量涌現(xiàn)極大地挑戰(zhàn)了基于位錯(cuò)、孿晶機(jī)制的經(jīng)典塑性理論。這種挑戰(zhàn)主要源于人們對(duì)于非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和表征還很不清楚。從目前來(lái)看，非晶塑性的研究還處于“盲人摸象”似的探索階段，大部分還是從現(xiàn)象出發(fā)的“自上而下”的研究，未能呈現(xiàn)一個(gè)全面清晰的物理圖像。非晶塑性機(jī)制應(yīng)該是一個(gè)“自下而上”跨尺度的時(shí)空演化問(wèn)題，今后研究需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題:①基本“流動(dòng)事件”到底是什么;②短中程有序原子團(tuán)簇、自由體積等微觀結(jié)構(gòu)與“流動(dòng)事件”的內(nèi)在聯(lián)系;③“流動(dòng)事件”在時(shí)間和空間尺度的自組織演化規(guī)律;④塑性與彈性的耦合作用過(guò)程;⑤納米剪切帶失穩(wěn)的精細(xì)圖像;⑥剪切帶擴(kuò)展演化動(dòng)力學(xué);⑦多重剪切帶行為。這些研究需要發(fā)展和建立新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、數(shù)值模擬方法和理論框架，更需要借鑒其它領(lǐng)域(如非線性力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、復(fù)雜系統(tǒng)、流體力學(xué)等)的相關(guān)成果和概念，最終從復(fù)雜的“無(wú)序”中找出“有序”的規(guī)律。

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