La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃應(yīng)力松弛行為1)

陳迎紅 王云江 喬吉超,2)

?(西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710072)

?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,北京 100190)

引言

作為新型的金屬材料,金屬玻璃具有極高的強(qiáng)度、高斷裂韌性、大彈性應(yīng)變極限、過冷液相區(qū)的超塑性、優(yōu)良的耐腐蝕性能、超導(dǎo)以及優(yōu)良的軟磁性能.在微電子器件、國防工業(yè)、航空航天、生物醫(yī)療以及體育休閑等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-4].金屬玻璃具有獨(dú)特的物理、力學(xué)性能,大量研究表明金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)是非均勻的,并且利用傳統(tǒng)分析方法難以表征.由此,金屬玻璃的(力學(xué))性能與微觀不均勻結(jié)構(gòu)的本征關(guān)聯(lián)是一個仍沒得到很好解決的重要科學(xué)問題[5].

充分了解金屬玻璃的力學(xué)特性,需要探明金屬玻璃的不同空間尺度結(jié)構(gòu)特征及其隨時間的演化規(guī)律.金屬玻璃的動態(tài)弛豫與其力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)[6].應(yīng)力松弛是探究金屬玻璃結(jié)構(gòu)不均勻性的有效手段[7].最近有研究通過計算對金屬玻璃的塑性基本單元進(jìn)行了預(yù)測[8].金屬玻璃的應(yīng)力松弛問題是其在實際應(yīng)用中一個非常重要的特征,與傳統(tǒng)金屬材料不同,金屬玻璃微觀原子排布不具有規(guī)律性,研究其應(yīng)力松弛問題對于進(jìn)一步理解其變形機(jī)理具有實際意義[3].應(yīng)力松弛與外部施加載荷、實驗溫度、加載時間等都具有緊密的聯(lián)系,是材料微觀結(jié)構(gòu)對外部刺激的響應(yīng).對于晶體材料其應(yīng)力松弛可以通過晶粒位錯運(yùn)動、滑移、晶界擴(kuò)散等機(jī)制來解釋[9-11],而在金屬玻璃內(nèi)卻不存類似的“缺陷”.應(yīng)力松弛是一種通過觀測在固定應(yīng)變下應(yīng)力隨時間演化規(guī)律,來反映材料在變形過程中的黏彈性和黏塑性的方法,從而將材料的微觀結(jié)構(gòu)與材料動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行關(guān)聯(lián).材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了其熱力學(xué)狀態(tài),最終影響材料的宏觀力學(xué)性能.在之前金屬玻璃的研究中發(fā)現(xiàn),在應(yīng)力松弛過程中局部的塑性流動是變形單元逐漸被激活的過程[7,12].這為金屬玻璃作為潛在工程材料的應(yīng)用提供了基本的變形機(jī)理.前期有關(guān)金屬玻璃應(yīng)力松弛的實驗揭示了金屬玻璃在過冷液相區(qū)和玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近應(yīng)力松弛的特征[13].Jiao 等[14]通過應(yīng)力松弛的方法研究了Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10金屬玻璃在遠(yuǎn)低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度下的變形機(jī)理,發(fā)現(xiàn)即使在彈性范圍的應(yīng)力松弛實驗也會誘發(fā)金屬玻璃產(chǎn)生不可回復(fù)的變形,并通過應(yīng)力回復(fù)驗證了變形過程中存在從彈性變形向永久變形的轉(zhuǎn)變.Lu 等[15]通過一系列金屬玻璃的應(yīng)力松弛研究,提出了弛豫參量“n”,建立了“n”值與脆度和泊松比密切相關(guān).進(jìn)而采用參數(shù)n可以對金屬玻璃進(jìn)行分類,這為研究金屬玻璃的動態(tài)力學(xué)不均勻性提供了一種新的思路.Guan 等[16]通過分子動力學(xué)模擬的方法研究了Zr50Cu50金屬玻璃的應(yīng)力松弛行為,發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變加速和弛豫的直接聯(lián)系,應(yīng)力松弛演化與流動單元的激活有著密切聯(lián)系.關(guān)于金屬玻璃應(yīng)力松弛行為已有許多研究[17-21],但是目前對于金屬玻璃應(yīng)力松弛微觀機(jī)制的了解還不甚清晰.

本文選取玻璃形成能力良好的La30Ce30Al15Co25金屬玻璃作為模型體系[22].通過動態(tài)力學(xué)分析探究其弛豫行為.同時對其應(yīng)力松弛行為進(jìn)行研究,基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW) 模型[23]、熱動力學(xué)模型[20]、激活能譜模型[24]等多種物理模型對其應(yīng)力松弛行為進(jìn)行分析.借助于應(yīng)力松弛實驗,揭示金屬玻璃在變形過程中的非均勻性演化規(guī)律.本研究既能有效增進(jìn)對金屬玻璃變形機(jī)理的理解,也對其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用評估提供重要的理論參考.

1 實驗過程

本文研究選取了非晶形成能力良好的La30Ce30-Al15Co25金屬玻璃通過單輥甩帶法制得條帶金屬玻璃樣品,厚度約為30μm、寬度約為1.5μm,從條帶中截取長度約為30 mm 條帶樣品分別進(jìn)行動態(tài)力學(xué)實驗和應(yīng)力松弛實驗.動態(tài)力學(xué)分析實驗選用條帶拉伸單頻掃溫模式,實驗加載頻率為2 Hz,升溫速率為2 K/min,從室溫加熱到500 K.在復(fù)平面內(nèi)模量可以表示為E?=E′+E′′,E′代表儲能模量,E′′代表損耗模量,分別反映彈性和黏性的變化.應(yīng)力松弛實驗研究了在寬溫度范圍內(nèi)(333～417 K) La30Ce30Al15Co25金屬玻璃的應(yīng)力松弛行為,溫度間隔為3 K,所施加的初始應(yīng)變?yōu)?.4%,本研究的應(yīng)力松弛實驗均在模型體系的彈性變形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行.為保持實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,達(dá)到每一目標(biāo)溫度后先保溫3 min,待溫度穩(wěn)定后開始進(jìn)行應(yīng)力松弛實驗.實驗所采用的儀器為動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA TA Q800).

2 實驗結(jié)果與討論

金屬玻璃的動態(tài)弛豫普遍存在著明顯的α 弛豫峰,對于溫度較低的β 弛豫,不同金屬玻璃存在著差異,表現(xiàn)為“過剩尾”、“肩膀峰” 或明顯的“β 弛豫峰”[3,25].圖1 是La30Ce30Al15Co25金屬玻璃歸一化后的損耗模量和儲能模量隨溫度的演化曲線.在300～410 K 溫度區(qū)間內(nèi),儲能模量變化較小,損耗模量在360 K 左右出現(xiàn)明顯的β 弛豫峰,這一過程與金屬玻璃內(nèi)局部原子的運(yùn)動有關(guān).在410～480 K溫度區(qū)間內(nèi)儲能模量急劇下降,損耗模量快速上升達(dá)到最大值出現(xiàn)明顯的α 弛豫峰,α 弛豫對應(yīng)著金屬玻璃的動態(tài)玻璃轉(zhuǎn)變行為.通過動態(tài)力學(xué)譜可以看到La30Ce30Al15Co25金屬玻璃具有明顯的β 弛豫行為.

圖1 La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃歸一化儲能模量和損耗模量隨溫度演化過程. Eu 等于金屬玻璃在室溫的儲能模量Fig.1 Normalized loss modulus and storage modulus of La30Ce30Al15Co25 metallic glass as a function of temperature.Eu assumes the storage modulus at room temperature

為探究 La30Ce30Al15Co25金屬玻璃的應(yīng)力松弛行為,在較寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)力松弛實驗.圖2 是La30Ce30Al15Co25金屬玻璃在0.4%應(yīng)變下,從333 K 到417 K 的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù),每一溫度下的數(shù)據(jù)都采用各自的初始應(yīng)力進(jìn)行歸一化,實線是用KWW方程擬合得到的結(jié)果.可以隱約看到應(yīng)力隨時間的變化可能分為兩個階段,初始階段應(yīng)力隨時間增加快速下降,隨著時間的演化,應(yīng)力降低速度變緩慢.并且隨著松弛溫度逐漸升高,平衡應(yīng)力逐漸減小.通常來說,這一過程是由于在變形過程中局部黏塑性變形或者流動事件累積而引起.

圖2 La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃在不同溫度(333～417 K)下的應(yīng)力松弛行為,應(yīng)力通過初始應(yīng)力進(jìn)行歸一化,實線是KWW 方程擬合曲線Fig.2 Stress relaxation spectra of La30Ce30Al15Co25 metallic glass at different temperatures(333～417 K).The solid lines are the KWW fittings

為了進(jìn)一步探討模型體系的應(yīng)力松弛特征,我們采用經(jīng)典的物理模型進(jìn)行描述.研究表明金屬玻璃的應(yīng)力松弛實驗可以采用經(jīng)典的擴(kuò)展指數(shù)模型(KWW) 方程[23]來描述,用以表征金屬玻璃在應(yīng)力松弛過程中應(yīng)力隨時間演化的內(nèi)在規(guī)律

式中,τ 為特征弛豫時間,βKWW為擴(kuò)展指數(shù)參數(shù)(0 < βKWW< 1),σ0為初始應(yīng)力.與蠕變過程相似的是應(yīng)力松弛行為是基于松弛單元的激活,通過以上KWW 方程很好的擬合,表明松弛在微觀尺度上是非均勻的[26].已有研究表明,金屬玻璃中存在一些緊密結(jié)合的區(qū)域(類“固”區(qū)),和一些相對松散的區(qū)域(類“液” 區(qū))[27-28].圖3 是不同溫度下擬合參數(shù)隨溫度的演化規(guī)律,隨著溫度升高,特征弛豫時間τ 快速下降.溫度升高,金屬玻璃內(nèi)部的流動單元更容易發(fā)生激活,原子發(fā)生躍遷的速度變快,特征弛豫時間隨著溫度上升逐漸縮短.隨著溫度升高,βKWW值先減小到最小值然后逐漸增大,βKWW與動態(tài)不均勻性有關(guān).在Li[19]對Zr44Ti11Cu10Ni10Be25,La60Ni15Al25等多種非晶合金的應(yīng)力松弛研究中也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律,表明不同體系的金屬玻璃在應(yīng)力松弛時有著相似的變形機(jī)理.溫度較低時金屬玻璃主要由彈性基體構(gòu)成,有少量的流動單元分布在彈性基體中.少量的流動單元處于隔離狀態(tài),無相互作用.隨著溫度升高部分彈性基體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂叙ば缘念愐簯B(tài),這些區(qū)域參與松弛過程,使得金屬玻璃成為更不均質(zhì)的狀態(tài).隨著溫度進(jìn)一步升高,更多的流動單元被激活,隨之這些流動單元產(chǎn)生聯(lián)動作用,剩余的彈性基體進(jìn)一步軟化,與低溫下流動單元的分布相反,彈性基體分布在黏性流動單元中,合金逐漸變得均勻,βKWW值的變化出現(xiàn)反轉(zhuǎn)開始上升.

圖3 La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃應(yīng)力松弛KWW 方程擬合參數(shù)βKWW 和τ 隨溫度演化規(guī)律Fig.3 The KWW fitting parameters βKWW and τ of La30Ce30Al15Co25 metallic glass as a function of temperature

圖4 La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃在不同溫度下應(yīng)力率ln()隨應(yīng)力的演化規(guī)律,插圖是333 K 下曲線,可以觀察到明顯的分段現(xiàn)象Fig.4 ln()of La30Ce30Al15Co25 metallic glass as a function of stress.The inset shows an example at a given temperature of 333 K,which shows an obvious change of stress relaxation with the variation of stress

在應(yīng)力松弛過程中,應(yīng)變可以分為彈性變形和非彈性變形,應(yīng)變可用以下公式表示

式中σ(t)是隨時間變化的瞬時應(yīng)力,E是彈性模量,εp是塑性應(yīng)變,對上式進(jìn)行求導(dǎo)可得到

根據(jù)過渡態(tài)理論,應(yīng)力松弛中的塑性變形為應(yīng)力驅(qū)動和熱激活控制耦合的過程,其變化符合Arrhenius 方程[20]

和應(yīng)力相關(guān)的特征應(yīng)力下的激活能?H(σ)=?Q?,同樣在特定應(yīng)力下的激活能可以寫成

在圖4 中可以看到在溫度較低時,金屬玻璃的應(yīng)力松弛行為表現(xiàn)為明顯的分階段現(xiàn)象,應(yīng)力約在51 MPa 左右時斜率發(fā)生明顯的改變,這一臨界應(yīng)力可以將松弛過程大致分為兩個階段,高應(yīng)力階段的快過程和低應(yīng)力階段的慢過程[20].圖4 中的插圖給出了測試溫度在333 K 溫度下的變化曲線,此時實驗溫度較低分段現(xiàn)象非常顯著.快過程發(fā)生在應(yīng)力松弛初始應(yīng)力較高的階段,而慢過程則發(fā)生弛豫一段時間后的低應(yīng)力階段.通過以上的熱動力學(xué)模型可以計算得到在不同溫度下松弛過程中激活體積的變化.

圖5 展示了在不同溫度下快過程和慢過程激活體積隨溫度的變化,可以很明顯的觀察到隨著溫度升高,激活體積呈現(xiàn)下降趨勢,這一過程表明隨著溫度升高快弛豫過程中涉及的原子數(shù)量減少.快過程具有很大的激活體積,其最大激活體積在較低溫度時超過20 nm3,并且隨著溫度升高快速減小.相比于快過程,慢過程的激活體積則小的多,且隨溫度升高激活體積變化不明顯,基本在1 nm3左右變化.在金屬玻璃高溫變形研究中發(fā)現(xiàn),在高溫均勻流變時許多金屬玻璃如Zr 基[30]、Cu 基[31]、Ti 基[32]等的激活體積都小于0.4 nm3,這一結(jié)果遠(yuǎn)小于本文在應(yīng)力松弛中得到的快過程與慢過程的激活體積.這表明金屬玻璃在低溫應(yīng)力松弛時可能與高溫流變行為存在著不完全相同的變形機(jī)制.

圖5 La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃在不同溫度下快過程和慢過程激活體積隨溫度的演化曲線Fig.5 Evolution of the derived activation volume of fast and slow process in La30Ce30Al15Co25 metallic glass with temperature

圖6 特征應(yīng)力為58 MPa 時La30Ce30Al15Co25金屬玻璃快過程的激活焓Fig.6 Activation enthalpy of La30Ce30Al15Co25 metallic glass with a characteristic stress at 58 MPa for fast event

圖7 特征應(yīng)力為38 MPa 時La30Ce30Al15Co25金屬玻璃慢過程的激活焓Fig.7 Activation enthalpy of La30Ce30Al15Co25 metallic glass with a characteristic stress at 38 MPa for slow event

為了進(jìn)一步分析弛豫分為快過程和慢過程的內(nèi)在機(jī)制,通過式(7) 可以得到在不同特征應(yīng)力下的激活能.如圖6 和圖7 所示分別是快過程和慢過程在不同特征應(yīng)力下的激活焓.采用Arrhenius 方程可以得到快過程在特征應(yīng)力為58 MPa 時的激活焓為0.64 eV,慢過程在特征應(yīng)力為38 MPa 時的激活焓為0.94 eV.由公式,當(dāng)外部應(yīng)力0 時激活能是?Q.考慮到在分析中可以得到在381 K 時快過程激活體積約為2 nm3,此時快過程的激活能?Q=?H(σ)+為1.7 eV.由于外力做功自由激活能極大減小.同理,在381 K 時慢過程的激活體積大約為0.6 nm3,可得慢過程的激活能約為1.1 eV.對于La30Ce30Al15Co25金屬玻璃動態(tài)弛豫行為的研究[33]中發(fā)現(xiàn),其鑄態(tài)樣品的β 弛豫激活能約為0.86 eV,α 弛豫的激活能大約為3.6 eV.可以發(fā)現(xiàn)快過程和慢過程的激活能介于β 弛豫和α 弛豫激活能之間.β 弛豫是一種可逆過程與小規(guī)模原子的移動相關(guān),α 弛豫是不可逆的大規(guī)模原子協(xié)同運(yùn)動與金屬玻璃的玻璃轉(zhuǎn)變緊密相關(guān).本文應(yīng)力松弛的溫度區(qū)間低于α 弛豫出現(xiàn)的溫度,證明在應(yīng)力松弛過程中出現(xiàn)的快過程和慢過程并不是直接由于金屬玻璃的β弛豫或α 弛豫引起的,而是隨著應(yīng)力的減小從接近于α 弛豫的變形模式轉(zhuǎn)移到接近β 弛豫的變形模式.Luo 等[17]對Zr 基金屬玻璃應(yīng)力松弛的研究中同樣發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力松弛過程中雙階段現(xiàn)象,在其研究結(jié)果中表明快弛豫過程的出現(xiàn)并不是由于β 弛豫引起的.同樣在對金屬玻璃條帶拉伸蠕變曲線的分析[34]中發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象,蠕變流動出現(xiàn)離散的階梯狀行為,研究者認(rèn)為這一過程是3D 的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)激活向2D的納米剪切帶激活的轉(zhuǎn)變.在金屬玻璃的蠕變,應(yīng)力松弛研究中都發(fā)現(xiàn)了類似的分階段現(xiàn)象,說明金屬玻璃變形機(jī)理的復(fù)雜性.

由上分析知慢過程表現(xiàn)出更小的激活體積,激活能能壘主要由熱驅(qū)動克服而不是應(yīng)力主導(dǎo).對于快過程其對應(yīng)的激活體積更大,在前面激活能的計算中可以看到應(yīng)力做功占據(jù)快過程激活克服能壘的很大一部分,相同溫度條件熱驅(qū)動所提供的能量不足以達(dá)到快過程的激活能,即松弛過程中快過程是由應(yīng)力驅(qū)動主導(dǎo)的原子移動.在La30Ce30Al15Co25金屬玻璃整個應(yīng)力弛豫過程中存在著由應(yīng)力驅(qū)動的快過程向熱驅(qū)動的慢過程轉(zhuǎn)變.應(yīng)力松弛的雙階段現(xiàn)象也進(jìn)一步證明了金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)非均勻性.

前已述及,在應(yīng)力松弛中變形不均勻性,關(guān)于金屬玻璃應(yīng)力松弛動力學(xué)行為可以采用經(jīng)典的激活能譜模型描述.與松弛性質(zhì)變化過程相關(guān)的激活能分布在一個連續(xù)的頻譜上,松弛中涉及單個原子或原子群的重排或移動[24].金屬玻璃在變形過程中原子要越過能壘而被激活,能壘的分布是起伏變化的,不同于晶體材料的均勻分布.

根據(jù)激活能譜模型,金屬玻璃在應(yīng)力松弛過程中變形單元激活能的分布可以通過應(yīng)力松弛曲線得到.在實驗溫度為T時,應(yīng)力隨時間的變化可以由如下表達(dá)式表示[24]

式中P(E)表示在激活能在E到E+dE范圍內(nèi)的與性能變化有關(guān)的量,σ,T,t分別代表應(yīng)力松弛時的應(yīng)力、溫度、時間,θ(E,T,t)為特征退火函數(shù)用來衡量在松弛時間t后有效變化過程所占的比例.并且θ(E,T,t)在0.01 到0.99 之間變化

式中v0表示在松弛過程中的碰撞頻率,其在數(shù)值上大致等于德拜頻率(1013s?1).在應(yīng)力松弛過程中特征弛豫時間τ 小于實驗時間t的松弛過程都參與應(yīng)力松弛,相反τ 大于時間t時不參與松弛過程.另外在能量上表現(xiàn)為,存在一個臨界激活能,變形單元的激活能小于臨界激活能時,其會被激活參與弛豫過程,反之則不會.在之前的研究中通過階躍近似的方法得到[24,35]

根據(jù)Arrhenius 方程得到

式中,KB為玻爾茲曼常數(shù),T是實驗溫度,v0數(shù)值大約等于德拜頻率,由上計算可以得到La30Ce30Al15Co25金屬玻璃在應(yīng)力松弛過程中的激活能譜變化示意圖.如圖8 給出了不同溫度下的P(E)變化規(guī)律,為了更好地觀察其變化規(guī)律,所有曲線均采用最大值進(jìn)行了歸一化.從333 K 到417 K,激活能譜曲線逐漸向高能段移動.激活能譜分布曲線類似于高斯分布,溫度越高現(xiàn)象越明顯,在溫度較低時,由于實驗時間不夠長,松弛過程相比于高溫階段進(jìn)行的不夠完全,在激活能譜上表現(xiàn)為P(E)曲線只有一部分.在較低溫度下部分變形單元由于能壘較高而處于凍結(jié)狀態(tài)未被激活,溫度升高激活能譜向著能量較高的方向移動,原先處于凍結(jié)狀態(tài)的變形單元越過能壘被激活,參與應(yīng)力松弛過程.同樣在Lu 等[21]對3 種典型的金屬玻璃的應(yīng)力松弛實驗研究中發(fā)現(xiàn),具有較高玻璃轉(zhuǎn)變溫度的金屬玻璃,其變形單元的激活需要跨過更高的能壘,在激活能譜上表現(xiàn)為P(E)向著能量更高的方向移動.而具有較低玻璃轉(zhuǎn)變溫度的金屬玻璃,其變形載體在較低溫度下被激活,激活能譜分布能量較低的階段.如圖8 所示應(yīng)力隨時間變化的曲線可知溫度升高時,具有較高激活能的變形單元大量被激活,應(yīng)力隨時間快速下降.說明金屬玻璃在變形過程中是一個動態(tài)不均勻的過程,激活能較低的變形單元先被激活,弛豫一定時間或溫度升高時,具有更高激活能的變形單元被激活而進(jìn)入應(yīng)力松弛過程.

圖8 La30Ce30Al15Co25 金屬玻璃激活能譜隨溫度演化規(guī)律Fig.8 Evolution of activation energy spectrum with temperature in La30Ce30Al15Co25 metallic glass

基于前期大量的研究,王崢等[36]提出了流變單元的概念來解釋金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)的非均勻性和變形機(jī)制.該觀點(diǎn)認(rèn)為金屬玻璃可以看作是彈性基底加流變單元的組合,而應(yīng)力松弛過程中的微觀結(jié)構(gòu)變形即對應(yīng)于流變單元在應(yīng)力和溫度的聯(lián)合作用下被激活.這一模型為理解金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)提供了新思路.相對于彈性基體,流變單元在金屬玻璃中表現(xiàn)為類似液體的性質(zhì),在受到外加刺激(溫度或應(yīng)力) 時更容易被激活,從而對外界刺激做出響應(yīng).基于實驗分析,我們可以看到不同的流變單元在激活能上存在差異,即微觀結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)的難易程度不同.當(dāng)溫度較低時,并不是所有的流變單元都對應(yīng)力刺激做出響應(yīng),有部分流變單元由于激活能較大而被凍結(jié)在金屬玻璃中,只有一部分能量較高的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),激活能較小,該類流變單元在低溫下被激活,參與到應(yīng)力松弛過程.隨著溫度的升高,更多的較高激活能的流變單元進(jìn)一步被激活,從而對應(yīng)力做出響應(yīng),在松弛曲線上也表現(xiàn)為應(yīng)力下降的幅度更大.Wang 等[12]以La60Ni15Al25金屬玻璃為模型體系,通過應(yīng)力松弛研究,發(fā)現(xiàn)低溫段并非玻璃體系中所有區(qū)域都參與弛豫過程,整個樣品隨溫度升高逐漸被激活,進(jìn)一步證實金屬玻璃對外力響應(yīng)的動力學(xué)非均勻性.所以,研究非晶態(tài)材料的動力學(xué)應(yīng)力松弛行為,可以間接反映材料中微觀結(jié)構(gòu)的演化特征.

通過對應(yīng)力松弛變形單元激活能譜的研究可以發(fā)現(xiàn),變形單元之間在能量上存在差異,在受到外力作用時變形單元的響應(yīng)具有差異性,不能簡單的作均勻變化處理.從能量角度反映了金屬玻璃在微觀結(jié)構(gòu)上的起伏,即微觀結(jié)構(gòu)不均勻性.

3 結(jié)論

本文研究了La30Ce30Al15Co25金屬玻璃的應(yīng)力松弛行為,基于熱動力學(xué)模型和激活能譜模型對其應(yīng)力松弛行為進(jìn)行了分析,結(jié)論如下:

(1) La30Ce30Al15Co25金屬玻璃具有明顯的慢β弛豫行為.

(2) La30Ce30Al15Co25金屬玻璃金屬玻璃化應(yīng)力松弛呈現(xiàn)雙階段現(xiàn)象,存在由應(yīng)力驅(qū)動的快過程向熱激活的慢過程轉(zhuǎn)變,基于一種熱動力學(xué)理論分析這兩個階段介于金屬玻璃動態(tài)弛豫中的弛豫和β 弛豫之間.

(3) 對松弛數(shù)據(jù)基于激活能譜模型的分析發(fā)現(xiàn),松弛單元的激活并不是均一化的,存在著能壘的變化,從能量角度反映了金屬玻璃的動力學(xué)和結(jié)構(gòu)非均勻性.