新研究確立非晶合金力學弛豫與平衡動力學之間的內稟性關聯

　　圖 (a) 楊氏模量和硬度隨老化時間的演變；(b) 應力松弛時間τSR與老化溫度1/Ta在Tf==554 K的演變規律；(c) 在玻璃和過冷液體區域老化過程中τSR的演變；(d) 不同老化時間和溫度下參數 隨老化時間的演變規律

　　在國家自然科學基金項目（批準號：51971178、52271153、12072344）等資助下，西北工業大學力學與土木建筑學院喬吉超教授、西班牙加泰羅尼亞理工大學Eloi 教授、中國科學院寧波材料技術與工程研究所童鈺博士，西班牙加泰羅尼亞理工大學E. Jiménez-Piqué教授，中國科學院力學研究所王云江研究員，香港城市大學楊勇教授，日本東北大學Takeshi Wada博士、Hidemi Kato教授，法國國立里昂應用科學學院Jean-Marc Pelletier教授等國內外研究人員合作，在高熵非晶合金動力學弛豫研究領域取得新進展，確立了非晶合金力學弛豫與平衡動力學之間的內稟性關聯。這項工作為理解高熵非晶合金的動力學和熱力學行為，及其與微觀結構非均勻性之間的聯系，提供了全新的科研視角。研究成果以“高熵非晶合金力學弛豫與平衡動力學的內稟性關聯（Connection between mechanical relaxation and equilibration kinetics in a high-entropy metallic glass）” 為題，于2024年1月29日在線發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.056101。

　　高熵非晶合金因溫度變化后原子重排速度緩慢而偏離過冷液態的亞穩平衡，導致諸如老化、回春和記憶效應等復雜現象，為理解高熵非晶合金物理特性及其動力學和熱力學行為的演變帶來挑戰。高熵非晶合金結構不斷演化，在勢能景觀中往更穩定的狀態遷移，即物理老化，此過程受結構弛豫動力學控制，并與材料的脆性、斷裂和疲勞等行為緊密相關。在玻璃狀態下，高熵非晶合金引發應力弛豫和結構弛豫并交織在一起，使弛豫動力學、熱力學與老化之間仍存有待解之謎。

　　研究團隊深入探索了Pd20Pt20Cu20Ni20P20高熵非晶合金在結構動力學和熱動力學特性上的內在聯系，如圖所示。隨著物理時效的增長，其應力松弛特性與焓平衡動力學呈現明顯的相關性，這一發現突破了傳統觀點，即物理老化僅與β弛豫相關。研究表明，激活能隨物理老化時間變化，并顯示出廣泛的激活能分布。應力松弛的弛豫時間與焓弛豫時間及微納力學特性（如楊氏模量和硬度）的平衡速率成正比。值得關注的是，高熵非晶合金的動態非均勻性與納米壓痕測得的微觀結構非均勻性呈現相反的趨勢。通常，玻璃的動態性能與其空間結構的非均勻性密切相關，但該研究發現在空間結構趨于均勻化的同時，動態非均勻性卻有所增加。這種動態非均勻性可能是老化初期階段的特征，其來源不僅與具有不同松弛時間尺度的空間區域分布相關，也與不同類型原子的微觀重排相關的松弛模式有關。這些松弛模式可通過剪切轉變區域或類似原子團運動等力學及物理機制的類型，以及其合作性的程度來區分。研究發現，動態非均勻性的變化與這些機制的時間尺度及其對總體松弛的相對貢獻與老化演變過程緊密相關。此外，應力松弛動力學行為比焓弛豫表現出更顯著的變化，表明應力松弛動力學行為是一個更敏感的指標，可用于表征高熵非晶合金的結構狀態。該工作為高熵非晶合金動力學和熱力學領域的研究提供了新思路。