本文選題：金屬玻璃 + 尺度效應(yīng)　； 參考：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文

【摘要】：作為一種亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金材料,金屬玻璃由于其特殊的結(jié)構(gòu)特征(原子排列短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序),而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能,并且具備在過(guò)冷液相區(qū)超塑性成型的能力,因此被認(rèn)為是制備微納米尺度器件的一種新的結(jié)構(gòu)材料。但是,隨著金屬玻璃尺寸的減小,其力學(xué)行為會(huì)與塊體有顯著的差異,出現(xiàn)明顯的尺寸效應(yīng)。在微納米尺度,比表面積的急劇增大使表面成為主導(dǎo)金屬玻璃力學(xué)行為的主要因素,因此金屬玻璃表面的力學(xué)行為一直是金屬玻璃研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。闡明金屬玻璃表面微納米尺度力學(xué)行為不僅能夠加深我們對(duì)金屬玻璃基礎(chǔ)研究的認(rèn)知,并且能夠推進(jìn)現(xiàn)在單純的以晶體材料為主的微納米器件制造技術(shù)。在這篇論文中,我們首先采用動(dòng)態(tài)納米壓痕的方法仔細(xì)地研究了金屬玻璃近表面微納米尺度的塑性變形與樣品尺度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在不同金屬玻璃體系中,當(dāng)塑性變形超過(guò)一定臨界尺度時(shí),剪切帶都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從離散分布(表面或近表層)到局域分布(內(nèi)部)的變化過(guò)程。在低于臨界尺度時(shí),也就是在離散分布區(qū),塑性變形以多重剪切帶為主,并且剪切帶的剪切位移很小。但是在大于臨界尺度時(shí),也就是局域分布區(qū),塑性變形局域于幾個(gè)剪切帶內(nèi),并且剪切帶的剪切位移很大。這種塑性變形方式的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了金屬玻璃中硬度的尺度效應(yīng),隨著壓入深度增加,硬度逐漸減小直至接近體材料硬度數(shù)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析,我們發(fā)現(xiàn)這種塑性轉(zhuǎn)變與金屬玻璃的彈性模量和脆性相關(guān),并且定性的給出了三者之間的關(guān)聯(lián)。將觀察區(qū)域進(jìn)一步縮小至金屬玻璃表面,我們發(fā)現(xiàn)金屬玻璃表面動(dòng)力學(xué)行為與塊體有明顯不同。首先,我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)原子力顯微鏡技術(shù)第一次實(shí)現(xiàn)了金屬玻璃塑性變形過(guò)程中納米尺度結(jié)構(gòu)演化的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明對(duì)于塊體金屬玻璃塑性變形,隨著外界應(yīng)力的增加,結(jié)構(gòu)中軟區(qū)所占的比例會(huì)不斷增加,呈現(xiàn)聚集長(zhǎng)大的特征,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向更高的能態(tài)演化。但金屬玻璃表面的結(jié)構(gòu)演化則與塊體的完全不同,即隨著外界應(yīng)力的增大,表面結(jié)構(gòu)演化依次經(jīng)歷了四個(gè)階段:從最開(kāi)始的隨機(jī)結(jié)構(gòu)演化變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)弛豫,中間經(jīng)歷一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程最后到達(dá)不斷向高能態(tài)演化的階段。表面這種偏離塊體結(jié)構(gòu)演化的特殊的變形特征與軟玻璃體系的非線性流變學(xué)非常相似,這就說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)觀察尺度上金屬玻璃表面并不是像內(nèi)部一樣處于固態(tài),而是一種更接近液體的狀態(tài)。最后我們采用納米壓痕儀的劃痕功能研究了金屬玻璃表面類(lèi)液體屬性對(duì)摩擦行為的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明金屬玻璃表面的類(lèi)液體層可以起到自潤(rùn)滑的效果,能有效地降低表面的摩擦系數(shù),其最小值僅為塊體內(nèi)部摩擦系數(shù)的1/3。這種自潤(rùn)滑效果源于類(lèi)液體層的均勻塑性變形,與塊體材料局域剪切帶的變形方式完全不同。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果還量化了金屬玻璃表面自潤(rùn)滑的深度范圍,并且揭示了自潤(rùn)滑深度范圍與玻璃轉(zhuǎn)變溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。本論文對(duì)金屬玻璃近表面區(qū)域微納米尺度力學(xué)行為的初步研究所獲得的結(jié)果不僅揭示了金屬玻璃在小尺度范圍內(nèi)形變和近表面結(jié)構(gòu)演化動(dòng)力學(xué)行為的一些現(xiàn)象和基本規(guī)律,為完善和發(fā)展金屬玻璃形變和相關(guān)的科學(xué)理論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù),同時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)具有新功能特性的微納米器件,比如自修復(fù),自潤(rùn)滑等,指明了方向。
[Abstract]:As a kind of amorphous alloy material metastable metallic glass, because of its special structure (the atomic arrangement of short-range order and long Cheng Wuxu), and exhibits excellent mechanical, physical and chemical properties, and have the ability in the supercooled liquid region superplastic forming, so it is considered as a kind of new structural material the preparation of micro nano scale devices. However, with the decrease of the size of the metallic glass, its mechanical behavior have significant difference with the block, appear obvious size effect. In the micro nano scale, the specific surface area increases rapidly to become the dominant factor of glass surface mechanical behavior of metal, so the mechanical behavior of metallic glass surface has been a hot and difficult field of metal glass research. Clarify the metal glass surface micro nano scale mechanical behavior can not only deepen our cognition of the basic research of metallic glass, and can promote Now to the crystal material based micro nano device manufacturing technology only. In this thesis, we first proposed a dynamic nanoindentation carefully studied metal glass near the surface of the micro nano scale plastic deformation and the sample scale. The experimental results show that in different metallic glass system, when more than a certain critical scale plastic deformation, shear zone will experience a discrete distribution (from the surface or near surface) to local distribution (internal) change process. Below the critical scale, is also in the discrete distribution area of plastic deformation of the multiple shear bands, and the shear displacement of shear band is very small but. In is greater than the critical length, which is the local distribution area of plastic deformation in several local shear zones and shear displacement of shear band. The change of plastic deformation mode leads to the hardness of metallic glass ruler The degree of effect, with the increase of indentation depth, the hardness decreases gradually until close to the material hardness. Through numerical experiments and theoretical analysis, we found that the plastic and glass transition metal elastic modulus and brittleness, and given qualitative correlation between the three. The observation area was further reduced to the metal surface of the glass, we found the metal surface of the glass block and dynamic behavior are significantly different. First, we found that dynamic atomic force microscopy for the first time in the process of plastic deformation of metallic glass evolution of nano structure experimental observation. Experimental results show that the bulk metallic glass and plastic deformation, with the increase of external stress, for soft structure the proportion will continue to increase, showing the characteristics of agglomeration, leading to a higher energy state structure evolution. But the structure evolution of metal glass surface and the end block All different, with the increase of external stress, surface structure evolution successively experienced four stages: to structural relaxation from the beginning of the stochastic structural evolution process through a dynamic equilibrium and finally to evolve toward high-energy stage. The nonlinear rheological deformation characteristics of the surface from special evolution block the structure and soft glass system very similar to that in the experimental observation on the scale of the metallic glass surface is not like inside the same in solid, but a more close to the liquid state. Finally we use nano indentation scratches function effect of metal glass surface liquid properties on the friction behavior. The experimental results this kind of liquid metal on the surface of the glass layer can play the role of self lubricating effect, can effectively reduce the friction coefficient of the surface, the minimum value is only block internal friction coefficient 1/3 . the self lubrication effect from liquid layer uniform plastic deformation, deformation is completely different from the bulk materials of local shear zone. At the same time, the experimental results also quantify the depth of metal glass surface self lubrication, and reveal the self lubrication depth and glass transition temperature. The negative correlation between the preliminary study in this paper, the metallic glass near surface micro nano scale mechanical behavior of the obtained results not only reveal dynamics evolution of deformation of metallic glass in a small scale and near surface structure and basic laws provide an experimental basis for the perfection and development of the metal deformation of glass and related scientific theory, micro nano devices at the same time with new features for the design, such as self repairing, self lubrication, pointed out the direction.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TG139.8

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