Nano Lett.：实验和模拟条件下非晶合金中单一剪切带上应力分布情况

【引言】

由于剪切带的形成和扩展的快变动力学特征，以及非晶合金中塑性流变的基本单元—— 剪切形变区(STZs)具有的极小时间尺度和空间尺度，对剪切带的纳米尺度机制阐释一般依靠分子动力学模拟实现。然而，模拟中所用的受时间约束的非实际参数，会使人对实验和计算分析所得结果的定量分析可否实现产生疑问。

【成果简介】

近日，德国IFW Dresden研究所的Sergio Scudino博士开展了相关研究工作，其研究成果以“Strain Distribution Across an Individual Shear Band in Real and Simulated Metallic Glasses”为题发表在Nano Lett.上。该篇文章中，作者通过对单一剪切带的应力场进行纳米束X射线衍射实验分析，与分子动力学模拟生成的剪切带应力特征进行对比。尽管在时空尺度上具有很大的不同，真实情况下的剪切带和模拟剪切带的特征出人意料地相似：两个例子中，剪切带上的应力值均是非连续的，主应变轴的方向表现出同样的反对称模式。这一行为可以通过剪切形变区激活机制和纳米尺度的渗透作用来解释，表明剪切带的纳米尺度效应不局限于剪切带区域，还会扩展到周围的弹性基体中。

【图文导读】

图1：可用来表征中程序的主峰q₁的XRD测量。

(a)XRD测量时使用的结构和坐标系示意图；

(b)用于应力评价的表示主衍射峰q₁位置的XRD典型图样；

(c)分子动力学模拟中使用的带缺口Cu₆₄Zr₃₆样品和坐标系。

图2：剪切带的XRD分析。

(a),和(b),由本征值(彩色贴图)的XRD结果得到的空间解析图，表明主应力的大小；本征矢量（单位长度矢量），表示主应力的方向，白色点划线为剪切带的位置；

(c),(d)本征值和随Y轴的变化情况和本征矢量和与(a)，(b)图中X轴形成的夹角。

图3：剪切带上的应力分布情况。

通过分子动力学模拟剪切带扩展的两个阶段，根据对应的本征矢量(a),(c)和本征值（彩色贴图(b),(d)）得到的空间解析图：(a)(b)内嵌的剪切带还未横贯整个样品，(c),(d)完整剪切带切断了整个试样。(a),(c)本征值和本征矢量与X'轴形成的角度在阴影区域的变化:(e),(g)内嵌剪切带和(f),(h)完整剪切带。本征矢量的大小通过矢量长度(a),(c)和彩色贴图(b),(d)共同表示。(a),(c)中的红色等高线表示样品中发生形变，(a)-(d)中只显示了样品中的部分剪切带。

图4：穿过单一剪切带的本征矢量的实验及模拟结果对比。

(a)为本征值和(b)为本征矢量与X'轴形成的夹角。模拟样品的坐标系旋转45°，以便于和XRD实验观测的剪切带方向匹配。

在实验和模拟中剪切带中心的位置选取在(b)中的转折点数据处。

图5：剪切带形核和扩展在微米及纳米尺度的示意图。

剪切带随负载增加，由左向右扩展。未激活的剪切形变区用(a)中的绿色圆形表示，逐渐发生变形最终被激活((b),(c)中的椭圆)。

【小结】

作者通过对单一剪切带的应力场进行纳米束X射线衍射实验分析，与分子动力学模拟生成的剪切带应力特征进行对比，发现真实情况下的剪切带和模拟剪切带的特征出人意料地相似。这些发现不仅证明了分子动力学模拟来解释(定量地)实验观察剪切带的可靠性，而且说明实验可反过来验证剪切带中发生的原子重排的数值预测。作者期望，该工作的分析能够开启一种可行的研究方案，即使用弹性基体中的结构变化作为判定根据，来实验验证剪切带中发生的主要原子重排的数值预测。

文献链接：Strain Distribution Across an Individual Shear Band in Real and Simulated Metallic Glasses(Nano Lett.,2018,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04816)

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