通过应力控制的循环加载实现金属玻璃的延缓老化?

《Journal of Non-Crystalline Solids》：The delayed aging achieved through stress-controlled cyclic loading in metallic glasses?

金属玻璃时效延迟研究

　　

B. 王 | Z.Q. 王 | S.Y. 梁 | X.Q. 高 | J.C. 邱 | G.-J. 刘 | E. 皮内达 | N. 严 | P.F. 关

西北工业大学物理科学与技术学院，中国西安 710072

摘要

金属玻璃（MGs）的固有特性是老化，这对它们的长期结构稳定性和功能可靠性构成了根本性挑战。为了提高稳定性并延长MGs的使用寿命，必须抑制其能量状态随时间的变化。在这项研究中，我们提出了一种在分子动力学模拟中控制的应力循环加载方案，有效地实现了Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀ MG的老化过程延迟。结果表明，无论研究中的应力大小如何，循环加载都能一致地延缓老化过程，尽管相对于初始配置，老化仍然会继续进行。这种延缓效应使得能够调节MGs的能量状态、原子结构和宏观性能。老化过程的持续进行通过大流动单元团簇的形成减少以及动态异质性的降低得到了证实。此外，随着应力幅度的增加，这种延缓效应变得更加明显。这一点通过相同循环次数下，较高应力幅度下流动单元团簇的形成增强得到了证明。从结构上看，平均局部五重对称性是结构稳定性提高的重要指标。这项工作不仅展示了一种有效的延缓MGs老化的策略，还从动力学和结构的角度阐明了其背后的机制，为设计具有更高稳定性的亚稳态MG系统提供了宝贵的见解。

引言

金属玻璃（MG）作为一种亚稳态材料，其结构、能量状态和性能会随时间演变[[1], [2], [3]]。通常，MGs的时间演变可以朝两个方向进行：老化，表现为能量状态逐渐降低；以及再生，即能量状态升高[2,4,5]。老化可以通过等温退火和小应变循环加载等方法诱导[3,[6], [7], [8]]，而再生通常通过塑性变形、热循环、加压等相关技术实现[4,[9], [10], [11]]。由于MGs的非平衡性质，老化或再生是不可避免的[2,4,5]。然而，对于实际应用而言，有效维持MG性能的稳定性至关重要[[12], [13], [14]]。这不仅需要减缓内在的老化过程，还需要避免可能引发再生的条件。因此，开发有效的延缓老化策略仍然是重要的研究重点。从结构上看，MGs与传统合金不同，缺乏缺陷（位错或晶界），研究已经证明了它们的结构、动力学和性能之间的密切联系[[15], [16], [17]]。因此，阐明MGs老化延缓背后的结构和动力学演变机制也具有重要意义，有助于设计出具有高稳定性的MGs。

动态力学分析（DMA）是一种高度敏感的测试技术，用于研究MGs的内部摩擦和松弛行为[[18], [19], [20]]。通过对样品施加振荡应力，DMA可以在低频、低幅度条件下揭示微观结构信息，如结构异质性和缺陷分布，使其在探索MGs的动力学和微观结构方面具有广泛的应用性[[21], [22], [23]]。在测量过程中，DMA本质上涉及循环加载过程。因此，DMA测试可以利用循环加载来调节MGs的能量状态，使其过渡到更稳定的状态或实现再生[7,11]。此外，在循环加载过程中，动态量（包括损耗模量和内部摩擦）可以反映MG的瞬时结构状态[7,19]。

老化是玻璃态材料的固有特征，由它们的结构异质性和局部流动行为决定[24]。相反，作为老化的逆过程，再生可以扩展能量状态范围，拓宽潜在的应用领域[5,9]。循环加载可以根据热力学或机械条件，在两个相反的方向（老化或再生）调节MGs的结构异质性[25]。在名义弹性范围内，循环加载可能会使某些优选剪切带局部硬化，导致MG的硬化或老化[26]。然而，在大多数研究中，再生和老化是相对于铸造状态进行评估的，而循环样品与等效时间老化的样品之间的系统比较仍然很少。因此，通过循环加载，我们可以调节能量状态并延缓MG的自然老化过程，从而研究动态、热力学和微观结构演变之间的相关性。这有助于开发MG结构的理论模型，并为性能调节提供理论指导。温度、应力、应变幅度和频率等因素会影响MG在循环加载过程中的结构和动态演变[27,28]。研究表明，应变幅度是循环加载过程中的关键因素[7,29,30]。然而，温度和应力对循环加载过程的影响以及这些参数对原子尺度响应的影响尚不清楚。

在这项研究中，为了开发一种延缓老化的策略，我们采用了应力控制的循环加载（SCCL）来调节模拟中的MG状态。考虑到温度和应力幅度的因素，我们分析了SCCL过程中势能、应力-应变特性和结构特征的响应。通过进一步关联动态性能演变、动力学和微观结构变化，我们阐明了SCCL下MGs滞后环的演变机制。

章节摘录

Zr??Cu??Al??玻璃模型的构建

开放LAMMPS方法用于分子动力学（MD）模拟[31]。由于其优异的玻璃形成能力、相对准确的势函数和较低的流动单元含量，选择了Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀ MG作为模型系统，并使用嵌入原子法（EAM）势能进行模拟[32,33]。模拟盒的大小为65 ? × 65 ? × 65 ?，包含16,000个原子。最初，系统被加热到2000 K并平衡1 ns，然后迅速淬火

SCCL过程中势能的演变

图3(a)-(c)展示了不同温度下不同应力幅度下循环加载过程中势能的演变。正如预期的那样，在不同温度下观察到了典型的老化过程。随着温度的升高，势能的降低变得更加明显。这表明MG是一种典型的非平衡材料，较高温度下的较高原子移动性促进了结构松弛，这与之前的研究结果一致[19,40,41]

结论

老化是MGs的固有属性，从根本上限制了它们的长期稳定性。为了更广泛地应用MGs，需要提高其对结构演变的抵抗力，这意味着能量状态在较长时间内保持稳定。在这项研究中，我们采用了应力控制的循环加载策略来有效延缓模拟中的老化过程。我们的研究结果表明，在低于< />_g,

CRediT作者贡献声明

B. 王：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，资源管理，项目管理，方法论，研究，资金获取，概念化。Z.Q. 王：研究，正式分析，数据管理。S.Y. 梁：撰写 – 审稿与编辑。X.Q. 高：撰写 – 审稿与编辑。J.C. 邱：撰写 – 审稿与编辑。G.-J. 刘：撰写 – 审稿与编辑。E. 皮内达：撰写 – 审稿与编辑。N. 严：撰写 – 审稿与编辑。P.F. 关：撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了NSFC（资助编号：12474188、T2325004 和 12472069）的支持。EP得到了由MICIU/AEI/10.13039/501100011033资助的PID2023-146623NB-I00 和 CEX2023-001300-M项目的支持。