科学家发现影响金属玻璃转化为弹性态的关键因素

科技工作者之家  |   2018-08-20 07:13

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▲与材料结构有关的虚构温度会显著影响金属玻璃的韧性。上图展示了不同虚构温度(从左到右递增)的金属玻璃的刻痕样品从脆性到延展性的变化,在凹槽前面的黄色标记区域显示了这一点。

块体金属玻璃(BMGs)是由复杂的多组分合金制成的一种材料,它们在高温下具有可塑性,在室温下则具有金属的强度。BMGs的性能归功于其独特的原子结构:当金属玻璃从液体冷却为固体时,其原子会随机排列,且不会像传统金属那样结晶。

几个世纪以来,研究人员一直对这种材料在转化过程中到底发生了什么感到困惑,此外,转化过程是如何影响其性能的也是未知。现在,8月16日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究提供了关键信息。

由耶鲁大学机械工程与材料科学教授Jan Schroers领导的研究小组发现,这些谜题的关键在于一种被称为“虚构温度”(fictive temperature)的非标准量。虚构温度关注于材料的结构而不是热量。BMGs内部的结构在从液体到固体的转变过程中就在不断发生变化,反之亦然。“每次你稍微改变它的温度,整个结构——里面的每个原子——就会改变它的位置,” Schroers说。“这在传统的材料中根本不会发生。”

文章作者之一、以色列魏茨曼科学研究所的化学和生物物理学教授Eran Bouchbinder说:“我们注意到,普通温度所起的作用——热能或动能——关系不大。而结构变化——虚构温度——是非常重要的。”

这一发现代表了该领域的变革性突破,并且可以使BMGs的加工更可靠。要想在承重应用中广泛使用BMGs,关键是要始终如一地获得具有更大弹性的BMGs(即“断裂韧性”)。

研究人员将重点放在虚构温度上,他们开发了一种程序,使他们能够在材料转变为固体时控制其结构。

这项实验的负责人、研究生Jittisa Ketkaew说:“将易碎的玻璃变成延展性好、不断裂易弯曲的玻璃,几乎就像‘炼金术’。最让研究人员惊讶的是,逐渐变化的虚构温度带来了断裂韧性的巨大变化。”

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编译:Coke 审稿:alone  责编:张梦   

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:https://scitechdaily.com/scientists-uncover-key-element-to-how-glasses-transition-into-resilient-states/

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