東南大學《Scripta Materialia》：金屬玻璃中發現一種新γ弛豫模式！

玻璃材料在人類社會中發揮著至關重要的作用，如生物技術用的聚合物玻璃、光學和電子用的氧化物玻璃以及磁性金屬玻璃。玻璃由于其長程無序結構和亞穩態狀態，，引起了科學研究和工程應用的廣泛興趣。金屬玻璃在動態力學譜上表現出復雜的弛豫譜，包括α弛豫、β弛豫以及γ弛豫等。作為α弛豫的前驅體，β弛豫的發現極大地促進了金屬玻璃研究。這種弛豫模式與玻璃物理和材料科學中許多尚未解決的問題有關，包括剪切帶、原子擴散和脆性，并對金屬玻璃的力學性能有著至關重要的影響。最近，在不同的金屬玻璃中發現了比β弛豫溫度更低的弛豫峰，即γ弛豫峰。在這種情況下，γ弛豫和金屬玻璃的其他弛豫與力學性能之間是否存在關聯?為了闡明這些問題，迫切需要對金屬玻璃的超低溫弛豫進行更系統的研究。

來自東南大學的沈寶龍教授團隊在遠低于玻璃化轉變溫度的溫度下通過動態力學測量在幾種Dy基金屬玻璃的弛豫行為，檢測到兩個獨立的快速次級弛豫峰，分別對應于γ和β￠弛豫。與β￠弛豫相比，新型γ弛豫在較低的溫度下被激活，并且具有較小的活化能，約為β￠弛豫的2/3。通過激發γ弛豫，松散堆積區域在斷口表面演變成脈狀圖案，導致低溫下良好的塑性。相關論文以題為“Gamma relaxation in Dy-based metallic glasses and its correlation with plasticity”發表在Scripta Materialia上。

圖1 a)四種具有γ弛豫的Dy基金屬玻璃損耗模量隨溫度的演化；b)典型金屬玻璃損耗模量隨溫度的演化；c) Dy55Co20A25金屬玻璃不同加載頻率下損耗模量隨溫度的演化；d) Dy55Co20A25金屬玻璃的γ弛豫。

圖2應變速率為5′10?4 s?1、溫度范圍為203 ~ 293 K下金屬玻璃的壓縮曲線和斷口SEM圖像。

圖3a) Dy55Co20A25、b) Dy18Er18Y18Ni26Al20、c) Tb54Ni20Al26金屬玻璃的HRTEM圖像和HAADF STEM圖像。

圖4 典型金屬玻璃歸一化損耗模量隨歸一化溫度的演化。

圖5 基于PEL層次結構和相應結構演化的金屬玻璃弛豫模式示意圖。

總之，金屬玻璃中次級弛豫的發現打破了長期以來認為金屬玻璃是一個簡單的玻璃系統，進而只表現出α弛豫的認識，為理解金屬玻璃結構和力學性能做出了重要貢獻。在本文中，作者在幾種Dy基金屬玻璃中發現了一種新的γ弛豫模式，通過動態力學弛豫譜揭示了這一弛豫模式是金屬玻璃的固有屬性之一，進而可以從能量勢壘角度完整地建立金屬玻璃的整體弛豫譜，包括玻色子峰、γ弛豫、快β′弛豫、慢β弛豫和α弛豫。同時，作者進一步揭示了這種γ弛豫模式和金屬玻璃蘇醒的關聯。通過充分激活γ弛豫，在金屬玻璃斷口表面形成脈狀圖案，從而在接近γ弛豫峰值溫度的低溫溫度下具有意想不到的塑性。γ弛豫的發現進一步豐富了MG弛豫模式的多樣性，為調控金屬玻璃的低溫塑性性能提供了一個有力的方案。這些新發現有助于增進對金屬玻璃動力學弛豫機制和力學性能尤其是塑性的進一步認識。