[论文解读] What renders bulk metallic glass ductile/brittle? -- new insight from the medium-range order

Farnaz A. Davani, Sven Hilke+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2020

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 63被引用 25

一句话总结

本研究揭示，块体金属玻璃（BMGs）的延展性源于双峰中程有序（MRO）结构，其中延性Pd40Ni40P20中存在第二个体积更大的MRO相关长度，使剪切形变区（STZ）尺寸更大，从而增强结构非均匀性并促进剪切带的形成。相比之下，脆性Zr基Vit105缺乏这一第二MRO长度，导致STZ尺寸更小、非均匀性更低，表现出脆性行为。Pd40Ni40P20中的磷促进了共价键合和结构基元的多样性，支撑了对延展性至关重要的扩展MRO网络。

ABSTRACT

Understanding ductility or brittleness of monolithic bulk metallic glasses (BMGs) requires detailed knowledge of the amorphous structure. The medium range order (MRO) of ductile Pd$_{40}$Ni$_{40}$P$_{20}$ and brittle Zr$_{52.5}$Cu$_{17.9}$Ni$_{14.6}$Al$_{10}$Ti$_5$ (Vit105) was characterized prior to and after notched 3-point bending tests using variable-resolution fuctuation electron microscopy. Here we show the presence of a second larger MRO correlation length in the ductile material which is not present in the brittle material. A comparison with literature suggests that the larger correlation length accounts for larger shear transformation zones (STZs) which increase the heterogeneity. This enables an easier shear band formation and thus explains the difference in deformability.

研究动机与目标

• 理解块体金属玻璃（BMGs）中延性与脆性行为的原子尺度起源。
• 通过对比延性Pd40Ni40P20与脆性Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5（Vit105）来研究中程有序（MRO）在决定塑性中的作用。
• 将MRO相关长度与剪切形变区（STZ）尺寸及变形行为相关联。
• 探讨化学成分（特别是磷）如何影响结构非均匀性与延展性。

提出的方法

• 采用变分辨率涨落电子显微术（VR-FEM）探测铸态及变形后BMG样品中的中程有序（MRO）结构。
• 通过改变相干探针尺寸（0.8–8.5 nm FWHM）获取纳米束衍射图样（NBDPs），以提取衍射强度的空间分辨方差。
• 计算归一化方差V(k,R)作为散射矢量k与探针分辨率R的函数，以量化MRO相关长度。
• 对Q²/V(k,R)与Q²（其中Q = 0.61/R）进行线性拟合，利用改进的配对持久性分析模型，从截距和斜率中提取MRO相关长度Λ。
• 使用杠杆法则估算MRO体积分数，以调和微观MRO体积与文献中宏观STZ体积之间的关系。
• 采用高角度环形暗场透射电镜（HAADF-STEM）与电子能量损失谱学（EELS）进行补充的结构与厚度表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中程有序（MRO）结构中，哪些特征可区分延性与脆性块体金属玻璃（BMGs）？
• RQ2 第二个体积更大的MRO相关长度如何影响剪切形变区（STZ）尺寸与塑性？
• RQ3 Pd40Ni40P20中的磷在多大程度上通过共价键合与结构基元多样性促进结构非均匀性与延展性？
• RQ4 为何宏观STZ体积（如Pd40Ni40P20中为6.5 nm³）与微观MRO体积估算值存在差异？如何实现调和？
• RQ5 变形如何影响延性与脆性BMGs中的MRO结构？是否改变MRO相关长度分布？

主要发现

• 延性Pd40Ni40P20 BMG表现出两个不同的MRO相关长度：d1 = 1.2 ± 0.2 nm（V1 = 0.90 ± 0.31 nm³）与d2 = 3.50 ± 0.60 nm（V2 = 22.5 ± 7.7 nm³）；而脆性Vit105仅显示一个MRO长度（d1 = 1.0 ± 0.2 nm，V1 = 0.52 ± 0.21 nm³）。
• Pd40Ni40P20中较大的MRO相关长度对应更大的STZ，从而增强结构非均匀性并促进剪切带的形成，解释了其延展性。
• 估算得出Pd40Ni40P20中较大MRO网络的MRO体积分数（Φ2）为0.26，显著贡献于宏观STZ体积6.5 nm³，成功调和了微观与宏观STZ测量结果。
• 变形使Vit105中较小的MRO相关长度从1.0 ± 0.2 nm增加至1.5 ± 0.3 nm，表明结构演化趋向更非均匀状态，但尚不足以引发延性。
• Pd40Ni40P20中的磷促进了共价键合，并推动形成多样化的结构基元——包括三帽三角柱与畸变二十面体——支持了扩展且非均匀的MRO网络的形成。
• Pd40Ni40P20中的结构非均匀性最好理解为一种涉及可区分MRO网络的多态性形式，而非一级相变。