东南大学《Scripta Materialia》：金属玻璃中发现一种新γ弛豫模式！

玻璃材料在人类社会中发挥着至关重要的作用，如生物技术用的聚合物玻璃、光学和电子用的氧化物玻璃以及磁性金属玻璃。玻璃由于其长程无序结构和亚稳态状态，，引起了科学研究和工程应用的广泛兴趣。金属玻璃在动态力学谱上表现出复杂的弛豫谱，包括α弛豫、β弛豫以及γ弛豫等。作为α弛豫的前驱体，β弛豫的发现极大地促进了金属玻璃研究。这种弛豫模式与玻璃物理和材料科学中许多尚未解决的问题有关，包括剪切带、原子扩散和脆性，并对金属玻璃的力学性能有着至关重要的影响。最近，在不同的金属玻璃中发现了比β弛豫温度更低的弛豫峰，即γ弛豫峰。在这种情况下，γ弛豫和金属玻璃的其他弛豫与力学性能之间是否存在关联?为了阐明这些问题，迫切需要对金属玻璃的超低温弛豫进行更系统的研究。

来自东南大学的沈宝龙教授团队在远低于玻璃化转变温度的温度下通过动态力学测量在几种Dy基金属玻璃的弛豫行为，检测到两个独立的快速次级弛豫峰，分别对应于γ和β¢弛豫。与β¢弛豫相比，新型γ弛豫在较低的温度下被激活，并且具有较小的活化能，约为β¢弛豫的2/3。通过激发γ弛豫，松散堆积区域在断口表面演变成脉状图案，导致低温下良好的塑性。相关论文以题为“Gamma relaxation in Dy-based metallic glasses and its correlation with plasticity”发表在Scripta Materialia上。

图1 a)四种具有γ弛豫的Dy基金属玻璃损耗模量随温度的演化；b)典型金属玻璃损耗模量随温度的演化；c) Dy55Co20A25金属玻璃不同加载频率下损耗模量随温度的演化；d) Dy55Co20A25金属玻璃的γ弛豫。

图2应变速率为5´10−4 s−1、温度范围为203 ~ 293 K下金属玻璃的压缩曲线和断口SEM图像。

图3a) Dy55Co20A25、b) Dy18Er18Y18Ni26Al20、c) Tb54Ni20Al26金属玻璃的HRTEM图像和HAADF STEM图像。

图4 典型金属玻璃归一化损耗模量随归一化温度的演化。

图5 基于PEL层次结构和相应结构演化的金属玻璃弛豫模式示意图。

总之，金属玻璃中次级弛豫的发现打破了长期以来认为金属玻璃是一个简单的玻璃系统，进而只表现出α弛豫的认识，为理解金属玻璃结构和力学性能做出了重要贡献。在本文中，作者在几种Dy基金属玻璃中发现了一种新的γ弛豫模式，通过动态力学弛豫谱揭示了这一弛豫模式是金属玻璃的固有属性之一，进而可以从能量势垒角度完整地建立金属玻璃的整体弛豫谱，包括玻色子峰、γ弛豫、快β′弛豫、慢β弛豫和α弛豫。同时，作者进一步揭示了这种γ弛豫模式和金属玻璃苏醒的关联。通过充分激活γ弛豫，在金属玻璃断口表面形成脉状图案，从而在接近γ弛豫峰值温度的低温温度下具有意想不到的塑性。γ弛豫的发现进一步丰富了MG弛豫模式的多样性，为调控金属玻璃的低温塑性性能提供了一个有力的方案。这些新发现有助于增进对金属玻璃动力学弛豫机制和力学性能尤其是塑性的进一步认识。