任景莉 于利萍 張李盈

(鄭州大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,鄭州 450001)

非晶物質(zhì)中的臨界現(xiàn)象?

任景莉?于利萍 張李盈

(鄭州大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,鄭州 450001)

(2017年5月8日收到;2017年6月5日收到修改稿)

非晶態(tài)材料有著復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)(短程有序、長程無序)和特殊的物理性質(zhì),其臨界現(xiàn)象和相變問題一直受到學(xué)術(shù)界關(guān)注.非晶合金,又稱為金屬玻璃,是一種新型的非晶態(tài)材料,具有很高的強(qiáng)度和優(yōu)異的彈性.從微觀的角度來看,非晶合金可以看作是一個(gè)多粒子系統(tǒng).臨界現(xiàn)象的研究對認(rèn)識和理解多粒子系統(tǒng)之間的相互作用有深刻的意義.本文主要討論非晶合金中的臨界現(xiàn)象,包括非晶合金從制備過程、微觀結(jié)構(gòu)到宏觀的力學(xué)性能以及磁性方面存在的臨界現(xiàn)象,并分析這些臨界現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系,進(jìn)而深入理解非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀性質(zhì)的影響.這為認(rèn)識非晶合金的形成本質(zhì),提高服役可靠性,探索具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的非晶合金提供理論依據(jù).

非晶合金,臨界現(xiàn)象,微觀結(jié)構(gòu),相變

1 引 言

非晶態(tài)也稱作玻璃態(tài),是一種不穩(wěn)定、無序的、復(fù)雜的物態(tài),被認(rèn)為是介于液態(tài)和固態(tài)之間的另一種物質(zhì)狀態(tài)[1].處于非晶態(tài)的材料稱為非晶材料,非晶材料的出現(xiàn)極大地推動了人類文明的發(fā)展,使得一些復(fù)雜的化學(xué)、生物和物理實(shí)驗(yàn)成為可能.

非晶合金 (amorphous alloy),又稱金屬玻璃 (metallic glass),是非晶態(tài)材料中最典型的一種,主要由金屬元素與金屬鍵構(gòu)成[2],表現(xiàn)出長程無序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),但不具有周期性排列的晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu).與非晶態(tài)的氧化物玻璃相似,非晶合金是通過金屬熔體連續(xù)快速冷卻而形成的,因而也被稱為“凍結(jié)的金屬液體”.這是一類具有與液態(tài)物質(zhì)類似的微觀結(jié)構(gòu)但卻不能流動的特殊的卻普遍存在的材料.非晶合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能和潛在的結(jié)構(gòu)特性而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注.

非晶合金有著復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)(短程有序、長程無序)和特殊的物理性質(zhì),有關(guān)其相變問題和臨界現(xiàn)象的研究一直受到學(xué)界關(guān)注.物理學(xué)家于淥和郝柏林[3]曾說:臨界現(xiàn)象是邊緣化的物理現(xiàn)象,在它的探索過程中總會出現(xiàn)意想不到的驚喜,恰似“物含妙理總堪尋”,值得我們思考和研究.臨界現(xiàn)象是系統(tǒng)或物質(zhì)處于或接近臨界點(diǎn)時(shí)呈現(xiàn)出的一些特殊的、反常的性質(zhì)或現(xiàn)象,在自然界中廣泛存在.非晶合金從制備過程、到微觀結(jié)構(gòu)、再到宏觀性能無處不存在著臨界現(xiàn)象.本文主要討論非晶合金形成過程中的臨界現(xiàn)象、微觀結(jié)構(gòu)中的臨界現(xiàn)象、外力作用下的臨界現(xiàn)象以及物理性質(zhì)中的臨界現(xiàn)象,從而進(jìn)一步了解非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系.

2 非晶合金制備過程中的臨界現(xiàn)象

1959年,美國加州理工學(xué)院的Duwez等[4]首次通過液態(tài)金屬快速淬火制備出非晶態(tài)金屬.1969年 Chen和Turnbull[5]將含有金屬元素 Pd的幾類合金如,Pd-Au-Si,Pd-Ag-Si和 Pd-Cu-Si通過淬火熔化得到直徑1 mm的球狀非晶合金樣品.1989年,Inoue等[6]通過水淬法或銅模鑄造法制備出不含貴金屬的毫米級別的非晶合金.1991年,Inoue等[7]制備出具有高玻璃成形能力和熱穩(wěn)定性的Zr基合金,其中這些合金的臨界鑄造厚度可達(dá)15 mm,過冷液相區(qū)擴(kuò)展到127 K.由于非晶合金需要在較快的冷卻速率下才能獲得,且通常獲得的非晶合金臨界尺寸較小,從而制約了非晶合金的應(yīng)用.1993年以來,人們發(fā)現(xiàn)許多新型組合物具有很高的非晶形成能力,能夠在小于100 K/s的臨界冷卻速率下制備出尺寸大于等于1 cm的塊體非晶合金[8].

結(jié)構(gòu)長程無序、熱力學(xué)亞穩(wěn)定的非晶態(tài)合金是物質(zhì)的存在狀態(tài)之一.液態(tài)金屬能否形成非晶態(tài)與其熱力學(xué)條件有關(guān).從能量的觀點(diǎn)來看,平衡自由能G=U?TS,非晶態(tài)的獲得是體系內(nèi)能U和熵S競爭的結(jié)果,體系粒子間的相互作用會導(dǎo)致U降低,傾向于短程有序,溫度T和熵S使得體系無序化.如果U足夠大,粒子間關(guān)聯(lián)很強(qiáng),若關(guān)聯(lián)范圍趨于無窮,則系統(tǒng)長程有序,進(jìn)而得到晶態(tài)相;如果U較小,關(guān)聯(lián)作用只限于近鄰粒子,則系統(tǒng)只有短程序,這是形成長程無序的非晶態(tài)[1].

2005年,Shi和Falk[9]研究了非晶形成過程中的冷卻率、微觀結(jié)構(gòu)中的短程序率以及宏觀變形過程中裂紋的局部化率之間的關(guān)系.文章指出,非周期的短程序在非晶的穩(wěn)定性方面扮演了重要的角色,可能會導(dǎo)致一個(gè)不同的低能量的玻璃相.文章中引入形變參與率(deformation participation ratio,DPR)來度量非晶合金在形變過程中的局部化程度.這里DPR是指原子附近發(fā)生的局部偏剪切應(yīng)變大于整個(gè)樣本的名義偏剪應(yīng)變的原子所占的比例.如果非晶合金制備過程中有效冷卻率較小,得到的非晶合金就具有較高的短程序率,機(jī)械性能測試過程中DPR就越接近0,形變過程局部化程度較高;反之,如果制備過程中的冷卻速率較快,則有效冷卻率較高,得到的非晶合金的短程序率就較低,測試中DPR就越接近0.5,形變過程比較均勻.圖1(a)是多種不同的有效冷卻率下DPR與應(yīng)變速率之間的關(guān)系;圖1(b)是DPR對應(yīng)變速率的敏感性與每個(gè)原子勢能之間的關(guān)系.

Turnbull[10]根據(jù)經(jīng)典形核理論提出了著名的非晶形成能力的判據(jù),即用約化溫度Tr來進(jìn)行衡量一種液體的非晶形成能力:Tr=Tg/Tm,其中Tm為合金的熔點(diǎn),Tg為?；瘻囟?Tr越高,其玻璃化形成能力越高.對于Tr=0.5的合金體系,必須在較高的冷卻速率下才能形成非晶合金;對于Tr＞2/3的液體,如果不存在非均勻形核,該液體則容易形成非晶;如果Tr=1,玻璃在平衡態(tài)就能形成,結(jié)晶不會出現(xiàn).此外非晶的臨界厚度或臨界尺寸也是表征合金的玻璃化形成能力高低的一個(gè)重要參數(shù),非晶態(tài)形成的臨界尺寸越大,表明合金的玻璃化形成能力越高,反之越低.等價(jià)而言,非晶合金的玻璃化形成能力越高,就越容易獲得大的臨界尺寸[11].

圖1 (a)DPR與應(yīng)變速率曲線;(b)DPR對應(yīng)變速率的敏感性與每個(gè)原子勢能關(guān)系曲線[9]Fig.1.(a)The deformation participation ratio as a function of strain rate;(b)the strain rate sensitivity of the DPR,m,as a function of the potential energy per atoMprior to the mechanical test[9].

Uhlmann[12,13]提 出 用 “T-T-T”圖 法 (時(shí) 間(Time)-溫 度 (Temperature)-轉(zhuǎn) 變 (Transition))(見圖2)估算形成非晶態(tài)所需要的臨界冷卻速率為Q?～(Tm?TN)/tN,其中TN為TTT曲線極值點(diǎn)所對應(yīng)的溫度,tN為TTT曲線極值點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間.只有當(dāng)有效冷卻速率大于臨界冷卻速率時(shí)才會形成非晶態(tài),表1列出了幾種金屬及合金的熔點(diǎn)Tm、玻璃化溫度Tg、臨界冷卻速度Q?.對某一合金系,玻璃轉(zhuǎn)變溫度對成分依賴性往往很小,而合金的熔點(diǎn)則隨成分顯著變化.1979年,Zheng分析了均勻成核條件[14]:

其中參數(shù)I為成核率(cm?3.s?1);N0υ為單位體積中的分子數(shù)(cm?3);η為黏滯系數(shù)(P);σ為表面能(cal.cm?3);ΔHm為熔化時(shí)的焓變(cal.mol?1);N為阿伏加德羅常數(shù);υ為克分子體積;T為熔體溫度(K);Tm為熔點(diǎn)(K);k為玻爾茲曼常數(shù);R為氣體常數(shù);a0為分子直徑.α=(α,β為無量綱參數(shù)),Tτ=T/Tm(Tτ為約化溫度),ΔTτ=(Tm?T)/Tm.通過對(1)式求極值,得到Imax對應(yīng)的溫度為TN=TNτ.Tm,這里TNτ是(1)式的極值點(diǎn);認(rèn)為當(dāng) Imax＜1時(shí),材料將形成非晶態(tài).

圖2 T(Time)-T(Temperature)-T(Transition)圖[12,13]Fig.2.T(Time)-T(Temperature)-T(Transition)curves[12,13].

對于金屬液體在一定壓力下的冷卻,當(dāng)液體的溫度達(dá)到該壓力下液體的凝固點(diǎn)Tf時(shí)仍以較小的有效冷卻率Q進(jìn)行冷卻,這時(shí)系統(tǒng)開始結(jié)晶,溫度暫時(shí)不會變化,最后得到金屬晶體;如果達(dá)到凝固點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的有效冷卻速率較大,液體不凝固溫度卻仍會降低,這時(shí)的液體稱為過冷液體,過冷液體繼續(xù)冷卻溫度持續(xù)降低,當(dāng)過冷液體達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí),伴隨著溫度的緩慢降低,將逐漸形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的固體,如圖3所示.這個(gè)過程伴隨著兩個(gè)溫度的臨界點(diǎn),Tf與Tg,和一個(gè)有效冷卻率的臨界點(diǎn) Q?.

Q＞Q?時(shí),隨著有效冷卻速率的不同,得到具有不同的宏觀機(jī)械性能的非晶合金.事實(shí)上,Q?Q?的值越大,得到的非晶合金中短程序比率就越低,宏觀形變越均勻;Q越接近臨界值Q?,得到的非晶合金中短程序比率就越高,宏觀形變越局部化.進(jìn)一步而言,隨著淬火冷卻速率增加,淬火時(shí)間減少,從圖1可以分析出,初始時(shí)隨著應(yīng)變率的增加,DPR值呈現(xiàn)遞減趨勢;隨著冷卻速率減小,應(yīng)變率增加,DPR值呈現(xiàn)平緩趨勢;冷卻速率更小時(shí),隨著應(yīng)變率的增加,DPR值呈現(xiàn)增加趨勢,故合金/金屬液體的有效冷卻速率存在第二個(gè)臨界點(diǎn)Q?.即液體冷卻過程中 若Q?＜Q＜Q?,隨著應(yīng)變速率的增加非晶合金/金屬在拉伸或壓縮測試中的形變參與率DPR將減小,此時(shí)DPR對應(yīng)變速率的敏感性指數(shù)是正的.若液體冷卻過程中有效冷卻速率滿足Q?＜Q?＜Q時(shí),非晶合金在宏觀力學(xué)性能測試中DPR對應(yīng)變速率的敏感性指數(shù)將小于0,如圖4所示.

表1 幾種合金的熔點(diǎn)Tm、玻化溫度Tg與臨界冷卻速度Q?Table 1.Melting point Tm,glass transition temperature Tgand critical cooling rate Q?of amorphous alloys.

圖3 液體到晶態(tài)與非晶態(tài)轉(zhuǎn)變路徑圖[15]Fig.3.Volume change with transforming froMliquid to crystal or amorphous[15].

圖4 DPR對應(yīng)變速率的敏感性與冷卻速率圖Fig.4.The strain rate sensitivity of the DPR,Mwith cooling rate change.

約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度準(zhǔn)則是基于Turnbull的非平衡凝固理論[10,16]提出的,即處于熔點(diǎn)的熔體是內(nèi)平衡的,當(dāng)冷卻到熔點(diǎn)以下,系統(tǒng)就存在結(jié)晶驅(qū)動力,驅(qū)動力的大小隨過冷度大小而變.起初結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)間與冷卻速度相比可能很短,過冷液體可以保持內(nèi)平衡,但是若冷卻速度快,熔體黏度迅速增加,則原子運(yùn)動遲緩可以避免結(jié)構(gòu)弛豫,進(jìn)而出現(xiàn)材料隨著溫度下降將保持非平衡狀態(tài)的情況,即發(fā)生所謂的玻璃轉(zhuǎn)變[17].當(dāng)液體的各態(tài)歷經(jīng)向玻璃態(tài)的各態(tài)歷經(jīng)破缺轉(zhuǎn)變時(shí),整體呈現(xiàn)的宏觀流動行為并不是“完全”被凍結(jié),研究表明在玻璃轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)以下的區(qū)域,非晶合金的自由表面仍處于類液體狀態(tài)[18].

過冷液體和非晶態(tài)在臨界溫度Tg處發(fā)生相互轉(zhuǎn)變,也就是說隨著溫度的變化,系統(tǒng)中大部分原子會在流動和不流動之間轉(zhuǎn)變.溫度低時(shí),過冷液體中原子運(yùn)動被凍結(jié)而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài);溫度高時(shí),非晶態(tài)中原子運(yùn)動被逐漸解凍進(jìn)而轉(zhuǎn)變成原子可以運(yùn)動的液態(tài).人們可通過弛豫(體系粒子的運(yùn)動)確定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程.根據(jù)粒子運(yùn)動的不同尺度,弛豫分為α弛豫與β弛豫:α弛豫是指較大尺度的,大規(guī)模粒子的平移運(yùn)動,主要存在于過冷液體中,而在非晶態(tài)固體中被凍結(jié);β弛豫是粒子在納米尺度的局部范圍內(nèi)的平移運(yùn)動,與玻璃轉(zhuǎn)變、塑性形變等物理性質(zhì)有密切的聯(lián)系.在非晶態(tài)中存在的主要弛豫模式是β弛豫[19?22].

對非晶態(tài)物質(zhì)而言,當(dāng)外加能量達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)它就會軟化發(fā)生變形.例如,在外加應(yīng)力的驅(qū)動下,非晶態(tài)合金剪切帶中的黏滯流變行為就與α弛豫,即玻璃轉(zhuǎn)變相關(guān)[1,23?25].前期研究成果已表明了非晶合金中的β弛豫行為對其原子尺度結(jié)構(gòu)非均勻性的依賴性;并揭示了其驅(qū)動能和玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg的關(guān)聯(lián)關(guān)系:Eβ=26RTg[26](R為氣體常數(shù)).在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下,慢β弛豫與Tg的關(guān)聯(lián)暗示其是一個(gè)涉及斷原子鍵的局域過程,并對非晶合金中自由體積的大小敏感[27?30].根據(jù)Wang等[31]的建議,在較低溫度下,弛豫起始于非晶體系中動性高的原子或原子團(tuán)簇;隨著溫度升高,弛豫中心開始向周圍擴(kuò)展,區(qū)域內(nèi)可動原子數(shù)量增加,然而在此過程中,弛豫仍然是局部化過程,限制在整個(gè)玻璃的彈性基體中;隨著溫度升高,弛豫就滲透于整個(gè)彈性基體,非晶系統(tǒng)便發(fā)生α弛豫.另一方面Wang等[31]獲得的非晶合金更寬的弛豫譜表明,除了前期發(fā)現(xiàn)的對應(yīng)于玻璃轉(zhuǎn)變的α(主)弛豫,以及Tg溫度以下的慢β(二次)弛豫,還在更低溫度范圍內(nèi)存在另一二次弛豫,即快β弛豫.相對慢二次弛豫,快二次弛豫具有更低的驅(qū)動能,因此對應(yīng)于受約束性更強(qiáng)的原子過程.它的發(fā)現(xiàn)意味著非晶合金的形變單元有更基本的起源,同時(shí)將導(dǎo)致不同時(shí)間尺度上的弛豫行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系需要重新建立.有趣的是,2017年 Küchemann與 Maa?[32]也報(bào)道了利用動態(tài)力學(xué)譜發(fā)現(xiàn)玻璃固體另一個(gè)二次弛豫的存在,他們將之定義為 “γ弛豫”.但從其出現(xiàn)的溫度范圍和所獲得的驅(qū)動能來看,這與Wang等[31]報(bào)道的是同一個(gè)現(xiàn)象,沒有區(qū)別.

大量研究結(jié)果表明非晶合金體系中表征塑性流變的“切變屈服強(qiáng)度”τy(τy= σY/2,這里 σY是屈服強(qiáng)度)與臨界溫度 Tg之間有良好的線性關(guān)系τy=3R(Tg?RT)/Vm,R是氣體常數(shù),Vm是摩爾體積[23,33?35].屈服過程中自由體積會隨時(shí)間演化,一般的非晶合金在約化自由體積(RFV)達(dá)到臨界點(diǎn)2.4%發(fā)生屈服,RFV隨之陡增.屈服點(diǎn)對應(yīng)的RFV的臨界值既不依賴于非晶合金的化學(xué)成分,也不依賴其力學(xué)參數(shù)[36,37].這種現(xiàn)象可以認(rèn)為是當(dāng)自由體積RFV到達(dá)臨界值2.4%時(shí),黏滯系數(shù)也會達(dá)到臨界值,原子開始流動,α弛豫解凍;或當(dāng)自由體積達(dá)到臨界值時(shí)系統(tǒng)發(fā)生了相變,開始軟化和屈服,非晶態(tài)逐漸相變?yōu)檫^冷液體.以上研究表明非晶合金的屈服和玻璃轉(zhuǎn)變都具有臨界性,都是在溫度或者應(yīng)力作用下,當(dāng)自由體積達(dá)到臨界值2.4%時(shí)發(fā)生的流變現(xiàn)象.

這一節(jié)具體地討論了非晶合金制備過程中的臨界現(xiàn)象.伴隨著物理性質(zhì)的急劇變化,形形色色的相互作用導(dǎo)致了各種各樣的相變.溫度越低相變表現(xiàn)得越精細(xì),當(dāng)熱運(yùn)動不能再破壞某種相互作用形成的秩序時(shí)就出現(xiàn)了新的物相.非晶的形成實(shí)際上就是控制物質(zhì)的晶體相的形核和長大,使得物質(zhì)隨溫度、壓力和密度的變化不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變而形成亞穩(wěn)的、非平衡的非晶態(tài).要通過過冷熔體制備非晶態(tài)合金,需要深刻理解液態(tài)和玻璃化轉(zhuǎn)變的基本原理.

3 非晶合金微觀結(jié)構(gòu)中的臨界現(xiàn)象

非晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:短程有序,局部范圍各向異性、不均勻;長程無序,宏觀上是均勻的、各向同性.上述特點(diǎn)可以通過電子、中子或X射線衍射實(shí)驗(yàn)得到的徑向分布函數(shù)(radial distribution function,RDF)進(jìn)行驗(yàn)證,RDF是驗(yàn)證非晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)模型的主要理論依據(jù).非晶物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)模型一直是非晶態(tài)物質(zhì)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[38?44].研究非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的主要手段有:模型法、衍射實(shí)驗(yàn)法、分子動力學(xué)模擬法以及統(tǒng)計(jì)物理分析法等.

從微觀的角度來看,非晶合金可以看作一個(gè)相互作用的極其復(fù)雜的多粒子系統(tǒng),粒子間的相互作用導(dǎo)致有序排列的發(fā)生,熱運(yùn)動引起無序和混亂,系統(tǒng)在這兩種矛盾的相互競爭之下演變.研究表明非晶合金微觀結(jié)構(gòu)中的短程序形成了以溶質(zhì)為中心的結(jié)構(gòu)單元(building block),結(jié)構(gòu)單元的隨機(jī)密堆使得非晶合金表現(xiàn)出長程無序[19,38,39,45].結(jié)構(gòu)單元的尺度在1 nm左右,內(nèi)部原子呈有序排列,計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)了145種不同的多面體結(jié)構(gòu)單元[1].對于同一種液體形成的非晶態(tài),由于實(shí)驗(yàn)過程的微小差異以及一些隨機(jī)因素的影響,短程序與長程無序并沒有固定的模式.因此微觀結(jié)構(gòu)也就不完全相同了.

1960年,Bernal[46]以簡單液體為前提,提出了活動的硬球體液體模型,如圖5(a)所示.該模型能夠通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn),其結(jié)果與液體徑向分布函數(shù)結(jié)果一致.2008年,Ma等[40]提出了原子團(tuán)簇自相似堆積模型,如圖5(b)所示,并用中子與X射線衍射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性;確定不同合金衍射最近鄰峰與原子平均體積遵循冪律關(guān)系,進(jìn)而通過此冪率形式的相關(guān)函數(shù)來描述非晶合金的中程序,得出非晶合金的中程序滿足一種自相似的分形行為,分形維約為2.31.2014年,Zeng等[47]利用X射線衍射實(shí)驗(yàn)研究了三種非晶合金,發(fā)現(xiàn)三種非晶合金主衍射峰與原子平均體積遵循同一冪律指數(shù),分形維數(shù)都為2.5.Chen等[41]通過原位X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析得出Cu46Zr54與Ni80Al20都展示出了分形維數(shù)從 2.5到3.0變化,認(rèn)為微觀結(jié)構(gòu)中的短/中程序與長程無序?qū)е铝朔蔷Ш辖鸪霈F(xiàn)局部分形而宏觀均勻的特性.2016年,Srivastava等[48]利用X射線衍射及正電子湮沒譜學(xué)研究非晶合金,Co69FexSi21?xB10(x=3,5,7),研究表明具有團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的非晶合金的中程有序結(jié)構(gòu)存在分形特征(分形維2.18),即表明在非晶中程尺度范圍內(nèi),團(tuán)簇通過維數(shù)為2.18的分形網(wǎng)絡(luò)連接.此外Chen等[41]應(yīng)用連續(xù)滲流模型來討論非晶態(tài)特性,把非晶合金中的原子堆積分率(atomic packing fraction φ)看作滲流中的侵占概率(occupation probability),臨界體積分率 (critical volume fraction φc)看作滲流中的臨界概率[49,50],得到非晶態(tài)中相關(guān)長度滿足 ξ∝|φ?φc|?ν,并估算出非晶合金 Cu46Zr54的相關(guān)長度 ξCu46Zr54取值在1.93—1.98之間.由此解釋非晶合金中分形與均勻共存的特性.上述分析中雖然直接應(yīng)用了滲流理論中有關(guān)尺度的經(jīng)典結(jié)論,但是缺少完整模型和系統(tǒng)理論.事實(shí)上,從粒子排列的微觀結(jié)構(gòu)角度分析,非晶的形成過程可以看作一定參數(shù)范圍的滲流過程,因此非晶態(tài)可看作滲流的產(chǎn)物.我們可從非晶態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)建立完整的滲流模型,利用滲流分析系統(tǒng)地研究微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的關(guān)系.

滲流是一種加載在網(wǎng)格上的隨機(jī)過程,將液態(tài)材料的微觀粒子結(jié)構(gòu)網(wǎng)看作是滲流所處的網(wǎng)格,在快速冷卻的過程中由于熱軟化和自由體積軟化的共同作用會形成短程或中程的有序排列而長程的無序排列,因此非晶態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局部各向異性而遠(yuǎn)程各向同性.通過對非晶態(tài)構(gòu)成的復(fù)雜多粒子相互作用系統(tǒng)建立相應(yīng)的滲流模型,借助于滲流理論得到系統(tǒng)的臨界點(diǎn) (對非晶合金即為相應(yīng)的臨界自由體積分率),可在不同的尺度范圍量化平均滲流集團(tuán)的尺度(短程序尺度)和滲透概率(完全晶化概率).不同的尺度范圍以特征尺度為臨界點(diǎn),當(dāng)系統(tǒng)尺度小于臨界尺度時(shí)表現(xiàn)為規(guī)則的、有序的、自相似的分形結(jié)構(gòu),而當(dāng)系統(tǒng)尺度大于臨界尺度時(shí)則會表現(xiàn)出無序的各向同性的均勻結(jié)構(gòu).2016年,Ren等[51]研究了貝特網(wǎng)格上的非均勻滲流理論,對具有兩個(gè)侵占概率的非均勻滲流給出了臨界滲流概率和滲流集團(tuán)平均尺度的解析表達(dá)式以及滲透概率數(shù)值解,并將結(jié)論推廣到了具有多個(gè)侵占概率的非均勻滲流理論.2017年,Ren和Zhang[52]繼續(xù)研究了不規(guī)則貝特網(wǎng)格的非均勻滲流理論,探討了帶有隨機(jī)結(jié)構(gòu)的貝特網(wǎng)格的滲流過程中的臨界概率、滲流集團(tuán)的平均尺度與滲透概率.這些結(jié)果也為研究微觀結(jié)構(gòu)不均勻的非晶合金的塑性流變提供了理論依據(jù).

這一節(jié)我們簡明地討論了非晶合金微觀結(jié)構(gòu)中的臨界現(xiàn)象.當(dāng)系統(tǒng)尺度小于臨界尺度時(shí)非晶態(tài)體系表現(xiàn)為短程有序的不均勻結(jié)構(gòu),而當(dāng)系統(tǒng)尺度大于臨界尺度時(shí)表現(xiàn)出長程無序的均勻結(jié)構(gòu).非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性體現(xiàn)在不同區(qū)域,不同向之間硬度或模量的不均勻性.這種內(nèi)在的不均勻性導(dǎo)致非晶合金變形過程中臨界剪切應(yīng)力的差異,影響著剪切帶的行為,促進(jìn)剪切帶成核的同時(shí)延緩剪切帶的擴(kuò)展,最終促進(jìn)多重剪切帶的形成,獲得較好的塑性.

4 非晶合金外力作用下的臨界現(xiàn)象

接下來我們討論非晶態(tài)物質(zhì)在外力或溫度作用下塑性流變過程中的臨界現(xiàn)象.Spaepen[53]提出的“自由體積漲落”模型和Argon[54]提出的“剪切轉(zhuǎn)變”模型是兩類描述塑性流變過程的經(jīng)典模型,如圖6所示.自由體積模型將體系的體積分為兩類:構(gòu)成體系的基本粒子或基本單元所占體積與粒子或基本單元可以自由運(yùn)動的體積.自由體積的大小是溫度和壓力的函數(shù),隨著壓力的增加和溫度的降低而減小.液體冷卻時(shí),自由體積收縮,當(dāng)自由體積小到一定臨界值時(shí),體系中的粒子或基本單元將不再自由運(yùn)動,進(jìn)而發(fā)生玻璃轉(zhuǎn)變,形成非晶態(tài)(Cohen和Grest[55]用滲流模型,通過計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了當(dāng)體系自由體積達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)就會出現(xiàn)玻璃轉(zhuǎn)變,形成非晶態(tài)).非晶態(tài)形成的條件和過程直接影響非晶態(tài)物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和非晶態(tài)中的自由體積.一定條件下,冷卻速度越高,形成的非晶態(tài)物中自由體積越多.“剪切轉(zhuǎn)變”模型認(rèn)為非晶合金的塑性流動由基本單元(包裹在原子殼中的原子團(tuán)簇或原子集團(tuán))中所有原子的協(xié)同運(yùn)動導(dǎo)致[56,57],基本單元中原子的剪切運(yùn)動引起局部的塑性流變,大量局部的塑性流變引發(fā)很多剪切變形區(qū),這些剪切變形區(qū)進(jìn)一步聚集,導(dǎo)致宏觀尺度的剪切帶形成.

非晶合金在外力加載變形過程中形成局部類液態(tài)的流變單元,從而導(dǎo)致了非晶合金塑性變形過程中的鋸齒流變.鋸齒流變是指應(yīng)力-應(yīng)變 (或時(shí)間-應(yīng)力)曲線上的塑性階段,應(yīng)力緩慢上升 (彈性加載過程)達(dá)到一定程度后突然跌落 (軟化擴(kuò)展過程),然后再次回升,按照鋸齒形的走勢重復(fù)循環(huán),如圖7所示.20世紀(jì)70年代初,Chen等[58]首次在室溫下觀察到非晶合金局部變形的剪切帶中的塑性鋸齒流變行為.非晶合金的形變過程常會隨非晶結(jié)構(gòu)的不同以及實(shí)驗(yàn)條件的差異表現(xiàn)出混沌[59]、自組織[60]、自組織臨界[61]、隨機(jī)[62]、分形以及多重分形[63,64]等復(fù)雜動力系統(tǒng)的臨界性行為和特性.在非線性科學(xué)中,混沌是指軌道的長時(shí)間不確定性的運(yùn)動狀態(tài).由于對初值的微擾非常敏感(初值的微小變化會被按指數(shù)放大),從而導(dǎo)致運(yùn)動的不可預(yù)測性.蝴蝶效應(yīng)是一個(gè)典型的混沌的例子.初值敏感性與分?jǐn)?shù)維的吸引子是混沌運(yùn)動最顯著的特點(diǎn),上述兩個(gè)特點(diǎn)分別可被正的李雅普諾夫指數(shù)與分?jǐn)?shù)維的李雅普諾夫維數(shù)所驗(yàn)證[65].

圖7 溫度為 293 K、應(yīng)變率為 2.5×10?4s?1時(shí),非晶合金Zr64.3Cu15.75Ni10.12Al10放大的時(shí)間-應(yīng)力曲線Fig.7. Enlarged stress-time curve of the Zr64.3Cu15.75Ni10.12Al10glassy metal at temperature of 293 K and at strain rate of 2.5×10?4s?1.

自組織理論是20世紀(jì)60年代末開始建立起來的一種描述復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)行為的系統(tǒng)理論,研究一定條件下復(fù)雜系統(tǒng)如何自動地由無序走向有序[66?69].自組織臨界是系統(tǒng)通過自身各部分之間相互作用最終達(dá)到的由量變到質(zhì)變的一種臨界態(tài),此時(shí)系統(tǒng)的動力學(xué)行為在時(shí)空上不存在特征尺度,系統(tǒng)內(nèi)相互作用的大小與頻率之間呈冪函數(shù)關(guān)系.自組織能力越強(qiáng)的系統(tǒng),保持和產(chǎn)生新功能的能力也就愈強(qiáng).“臨界”是一個(gè)特殊的敏感的狀態(tài),系統(tǒng)處于這個(gè)狀態(tài)時(shí)各部分之間的行為都相互關(guān)聯(lián),此時(shí)微小的局部變化因?yàn)殛P(guān)聯(lián)會被放大、擴(kuò)展至整個(gè)系統(tǒng),引發(fā)大規(guī)模災(zāi)難.著名的“沙堆模型”(sandpile model)、雪崩、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的傳染病、交通堵塞、非晶態(tài)材料的斷裂、屈服和玻璃轉(zhuǎn)變等都涉及到自組織臨界性.自組織臨界行為的產(chǎn)生是大量剪切帶互相作用的結(jié)果,如果延緩臨界行為的發(fā)生,將有助于提高非晶合金的壓縮塑性.

分形普遍存在于自然界的各種現(xiàn)象中,物理學(xué)大師J.Wheeler說過:誰不熟悉分形,誰就不能被稱為科學(xué)上的文化人.Mandelbrot和Wheeler[70]把部分與整體以某種方式相似的形體稱為分形.分形具有標(biāo)度無關(guān)性、自相似性(確定意義下的有規(guī)分形和統(tǒng)計(jì)意義下的無規(guī)分形)、可迭代生成和分?jǐn)?shù)維等特性.大量維數(shù)不同的單一分形交錯(cuò)疊加,可形成多重分形.自組織臨界態(tài)與分形結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系,Bak認(rèn)為分形結(jié)構(gòu)是自組織臨界態(tài)在空間上的“指紋”.

近年來,一些學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)學(xué)與非線性動力系統(tǒng)分析等方法對多種不同塑性的非晶合金壓縮過程中的鋸齒流變進(jìn)行分析[65,71,72].Sun等[71]發(fā)現(xiàn)脆性非晶合金 (塑性應(yīng)變 ＜5%)剪切帶運(yùn)動是一種混沌行為,鋸齒分布隨機(jī),有正的 Lyapunov指數(shù).而塑性非晶合金(塑性應(yīng)變＞10%)剪切帶運(yùn)動是一種自組織臨界行為,鋸齒呈冪率分布,如圖8所示.隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)溫度、應(yīng)變速率、合金成分等多種因素影響鋸齒流的行為.Schuh等[56]證明了高溫條件下存在高密度剪切帶導(dǎo)致的宏觀上均勻的塑性變形.2009年,Wang等[73]研究了具有不同塑性應(yīng)變能力的塊狀非晶合金,發(fā)現(xiàn)鋸齒流變遵循自組織臨界行為,人為干擾這一自組織行為可改變非晶合金的壓縮塑性.2011年,Ren等[74]發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的提高,非晶合金Cu50Zr45Ti5的塑變動力學(xué)行為從混沌向自組織臨界轉(zhuǎn)變,如圖9所示.2012年,Ren等[75]考查了應(yīng)變速率與環(huán)境溫度對非晶合金Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12的應(yīng)力時(shí)間序列在塑性形變階段的影響,發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)變率和高溫下,應(yīng)力時(shí)間序列表現(xiàn)出混沌性;反之,在高應(yīng)變率和低溫條件下則表現(xiàn)出自組織臨界特性,中間過渡階段為多重分形,如表2和表3以及圖10和圖11所示.

圖8 非晶合金 Vit105(a)與 Cu47.5Zr47.5Al5(b)的應(yīng)力降量分布[71]Fig. 8. Number of stress drops N(s)vs the normalized stress drop magnitude s for(a)Vit105 and(b)Cu47.5Zr47.5Al5MGs[71].

圖9 非晶合金 Cu50Zr45Ti5在不同應(yīng)變率下彈性能量密度的統(tǒng)計(jì)分布,小圖為應(yīng)變率為 2.5×10?2s?1時(shí)彈性能密度的冪律分布的雙對數(shù)模擬[74]Fig.9.Statistic distribution of elastic energy density,N(s),of the Cu50Zr45Ti5BMG deformed at four strain rates.Inset shows power-law distribution of the elastic energy density at strain rate of 2.5×10?2s?1[74].

表2 非晶合金 Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12在應(yīng)變率為2.5×10?4s?1時(shí)不同溫度下的時(shí)滯 τ,嵌入維 M與最大 Lyapunov指數(shù) λ1Table 2.The time delay τ,the embedding dimension m,and the largest Lyapunov exponents λ1vs.the temperature at strain rate of～ 10?4s?1.

表3 非晶合金Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12在293 K時(shí)不同應(yīng)變率下的時(shí)滯τ,嵌入維M與最大 Lyapunov指數(shù)λ1Table 3.The time delay τ,the embedding dimension m,and the largest Lyapunov exponents λ1vs.strain rate at the temperature of 293 K.

為了更深入地理解非晶合金的鋸齒流變行為,2015年,Ren等[76]進(jìn)一步考慮了應(yīng)力信號的尺度行為,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低應(yīng)力變化率信號的維數(shù)從1.22上升到1.72,剪切分支會在溫度較低的時(shí)刻出現(xiàn).對于非晶合金Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12在壓縮實(shí)驗(yàn) (溫度為193—293 K,應(yīng)變率為 2.5×10?4s?1—2.5×10?2s?1)中呈現(xiàn)的鋸齒現(xiàn)象,Ren等[77]利用數(shù)據(jù)分析和滲流理論得到兩種不同機(jī)制的剪切過程,溫度為223 K,應(yīng)變率為2.5×10?2s?1時(shí)呈現(xiàn)一種長程有序的分形行為,在其他溫度和應(yīng)變率下表現(xiàn)為一種無序性.

為了定量描述非晶合金的變形機(jī)制,除卻統(tǒng)計(jì)分析與時(shí)間序列分析等方法,動力學(xué)模型已被廣泛應(yīng)用,其中滑塊模型最為常見.滑塊模型最初由Burridge和Knopo ff[78]研究地震力學(xué)時(shí)提出.若將相互作用的剪切帶看作彈簧相連的滑塊,可從滑塊模型出發(fā)考慮非晶合金塑性流變過程中的動力學(xué)行為.Sun等[71]在滑塊模型的基礎(chǔ)上給出了多重剪切帶的動力學(xué)模型,該模型能較好地符合非晶合金鋸齒流變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,揭示合金中復(fù)雜無尺度的剪切帶運(yùn)動.考慮到應(yīng)變率對塑性變形機(jī)制的影響,Ren等[79]給出了改進(jìn)的滑塊模型,討論了模型的空間一致解、行波解以及多尺度分析得到的近似解.空間一致系統(tǒng)的相空間分析表明在較低應(yīng)變率下系統(tǒng)為不穩(wěn)定的.數(shù)值解顯示在較低應(yīng)變率下是微觀蔓延型事件,在較高應(yīng)變率下是非局部滑動事件.同時(shí)較高應(yīng)變率下的數(shù)值分析結(jié)果模擬表明應(yīng)力降量符合冪率分布,模型分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合.在上述改進(jìn)模型的基礎(chǔ)上,Ren等[77]給出了包含溫度變化的時(shí)空動力學(xué)模型來描述剪切滑移過程,進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析結(jié)果即非晶合金Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12在溫度為 223 K,應(yīng)變率為2.5×10?2s?1時(shí)存在分形行為.

圖10 非晶合金 Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12在不同溫度與不同應(yīng)變率下的鋸齒分布,小圖為應(yīng)力降量的冪律分布[75]Fig.10.Statistic distribution of stress drop of the Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12glassy metal deformed at di ff erent temperatures and strain rates.The power-law distribution of the stress drop is indicated in the inset[75].

圖11 非晶合金 Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12在不同溫度與不同應(yīng)變率下的多重分形譜 (a)253 K,2.5×10?4s?1;(b)293 K,2.5×10?3s?1[75]Fig.11.Multifractal spectruMof Zr64.3Cu15.75Al10Ni10.12:(a)for 253 K,2.5×10?4s?1;(b)for 293 K,2.5×10?3s?1[75].

這一節(jié)我們詳細(xì)地討論了非晶合金外力作用下的臨界現(xiàn)象.非晶合金因?yàn)闆]有位錯(cuò)等各種晶體缺陷而具備高強(qiáng)度和高彈性,它的力學(xué)行為與實(shí)驗(yàn)溫度、應(yīng)力以及應(yīng)變速率密切相關(guān).一定的溫度和外力作用下,剪切帶中的非晶態(tài)和液態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的局部區(qū)域內(nèi)粒子會發(fā)生微弱而緩慢的流變.一般來說,高溫/低應(yīng)變速率下,非晶合金宏觀上表現(xiàn)為均勻的塑性形變(黏性流動);而低溫/高應(yīng)變速率下,變形僅僅局限于納米尺度的剪切帶內(nèi),宏觀上表現(xiàn)為非均勻、局部化塑性形變.

5 非晶合金磁性中的臨界現(xiàn)象

1960年,蘇聯(lián)科學(xué)家Gubanov[80]首次證明了非晶態(tài)材料中存在鐵磁性,自此關(guān)于非晶態(tài)材料的磁性研究蓬勃發(fā)展.下面我們主要介紹非晶態(tài)合金中有關(guān)磁性的臨界現(xiàn)象.非晶態(tài)的磁性研究關(guān)鍵在于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的無序性.設(shè)想非晶態(tài)結(jié)構(gòu)由許多大小不等的硬球完全隨機(jī)地堆積形成,這種結(jié)構(gòu)破壞了平移對稱性,而且原子間的鍵長、鍵角、原子間交換作用的強(qiáng)度、晶場分布、內(nèi)場等都不是固定值,而呈現(xiàn)出一定的漲落分布,這必然影響到非晶態(tài)材料的表觀磁性.這里我們討論非晶合金的磁化強(qiáng)度和溫度、磁場之間的關(guān)系,對應(yīng)的臨界指數(shù)與居里溫度附近的相變規(guī)律.居里溫度附近,非晶態(tài)合金磁化強(qiáng)度M、溫度T和磁場H之間的關(guān)系常通過臨界指數(shù)β,γ,δ表示為如下的冪率形式[81]:

這里χ0為順磁磁化率,TC為居里溫度.試驗(yàn)與分析結(jié)果表明非晶態(tài)鐵基和鈷基合金在TC附近的磁性特征符合二級相變規(guī)律,臨界指數(shù)之間符合關(guān)系γ=β(δ?1).幾種不同非晶態(tài)合金的居里溫度及臨界指數(shù)的測量值見表4.

表4 幾種不同非晶合金的居里溫度及臨界指數(shù)Table 4.The curie point and critical exponent for several amorphous alloys.

非晶態(tài)合金的磁性隨著磁性原子濃度的增加逐漸顯現(xiàn).當(dāng)非晶態(tài)材料中磁性原子的濃度非常低時(shí),只存在孤島狀的磁性雜質(zhì)和導(dǎo)電電子間的藕合,產(chǎn)生了電阻的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)(近藤效應(yīng)).當(dāng)材料中磁性原子濃度達(dá)到0.5%時(shí),則呈現(xiàn)出自旋玻璃的特征.隨著濃度的繼續(xù)增加,磁性原子間趨于濃縮成團(tuán),成為成團(tuán)玻璃或呈現(xiàn)混磁性,這時(shí)強(qiáng)磁性原子間的近程相關(guān)作用將逐漸加強(qiáng),非晶材料開始顯現(xiàn)出磁性.當(dāng)濃度進(jìn)一步達(dá)到某個(gè)極限值時(shí),會形成長程鐵磁性.許多非晶態(tài)材料在磁性原子濃度較高時(shí),不僅呈現(xiàn)出很好的鐵磁性,而且會表現(xiàn)出近藤效應(yīng),這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的漲落使得磁性原子濃度整體較高時(shí)仍存在局部濃度稀薄區(qū).非晶態(tài)材料沒有周期性的微觀結(jié)構(gòu),因而不會出現(xiàn)反鐵磁性長程序,此時(shí)表現(xiàn)出類似自旋玻璃的磁結(jié)構(gòu).此外由于交換積分和各向異性的漲落,非晶態(tài)材料中自旋排列不可能完全平行(完全平行的自旋排列在非晶體中是亞穩(wěn)態(tài)).

一般而言,非晶態(tài)材料存在三種磁轉(zhuǎn)變:順磁-鐵磁轉(zhuǎn)變;順磁-自旋玻璃轉(zhuǎn)變;鐵磁-自旋玻璃轉(zhuǎn)變. Yeshurun等[91]研究了非晶態(tài)(T1?xT′x)75P16B6Al3合金系的磁性特征,其中T,T′為可變金屬元素,文中分別取T為 Fe,Co,T′為Mn,Ni,0＜x＜1是可變元素比例.他們發(fā)現(xiàn)所研究的非晶系統(tǒng)在T′比例較低,即x較小時(shí)都表現(xiàn)出鐵磁行為(FM),而當(dāng)T′比例較高時(shí)則表現(xiàn)出自旋玻璃(SG)行為,處于中間比例時(shí),即當(dāng)溫度低于居里溫度TC時(shí)有一個(gè)尖銳下跌,并且伴隨著低溫磁性消失.從順磁轉(zhuǎn)變到鐵磁行為的臨界過程中臨界指數(shù)表現(xiàn)出和 Heisenberg模型不一樣的取值,β=0.4,δ=5.然而從FM到SG行為的轉(zhuǎn)變過程中,臨界指數(shù)與T′的比例x密切相關(guān).

一般磁性狀態(tài)下,當(dāng)溫度低于磁轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí),Arrott圖[92,93]的曲線就和縱軸相交,截距對應(yīng)于自發(fā)磁化強(qiáng)度;而當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí),曲線將和橫軸相交,截距即為磁化率的倒數(shù),如圖12所示,圖中?=(T?TC)/TC為無量綱參數(shù).Aharony和Pytte[94]從理論上說明了非晶態(tài)材料,例如Dy0.32Ni0.68,可能出現(xiàn)一種新的磁性基態(tài),它在任何溫度下都不自發(fā)磁化,磁化率無窮大.對于這種新磁狀態(tài),任何溫度下Arrott圖的曲線都不和縱軸相交,只匯集于坐標(biāo)原點(diǎn).

至此我們簡明地討論了非晶合金磁性中的臨界現(xiàn)象.非晶合金的軟磁性能依賴著合金的宏觀均勻性,磁化強(qiáng)度與溫度有著依賴關(guān)系,隨著溫度的變化而變化.非晶態(tài)的磁性研究關(guān)鍵在于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的無序性.宏觀均勻系統(tǒng)臨界區(qū)域外部的行為以及在Arrott圖中,T＞TC時(shí)曲線呈現(xiàn)向上彎曲的趨勢且高度無序系統(tǒng)中居里溫度TC的消失反映了非晶態(tài)鐵磁合金的無序效應(yīng).

圖12 鐵磁相變的Arrott圖Fig.12.Arrott plot for a simple mean fi eld ferromagnetic phase transition.

6 結(jié) 論

非晶合金從制備過程、微觀結(jié)構(gòu)、形變機(jī)制到磁性效應(yīng)都存在著臨界現(xiàn)象.不同階段所展現(xiàn)出的特性并不是孤立的,這些臨界現(xiàn)象之間存在著一定的聯(lián)系.非晶態(tài)在制備過程中的熱處理方式影響磁學(xué)性能,有效冷卻率影響微觀結(jié)構(gòu)中的短程序率,非周期的短程序在非晶態(tài)的穩(wěn)定性方面扮演著重要的角色.非晶合金宏觀上表現(xiàn)為隨機(jī)的、均勻的各向同性的特性,然而在局部的納米尺度范圍內(nèi),非晶合金卻表現(xiàn)為有序的、各向異性的非均勻特性.物體的內(nèi)因決定了外部表現(xiàn),對非晶合金而言,其制備過程決定了微觀本質(zhì)結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)引起了磁各向異性且微觀結(jié)構(gòu)是玻璃化轉(zhuǎn)變和形變的內(nèi)因.再則非晶合金玻璃轉(zhuǎn)變和形變是非晶態(tài)對外加能量的反應(yīng),其中外力的作用會導(dǎo)致局部剪切形變和納米尺度的剪切帶中的非晶態(tài)和液態(tài)的轉(zhuǎn)變;溫度可造成大范圍的非晶態(tài)和液態(tài)之間的轉(zhuǎn)變.流變過程中,非晶合金的流變單元體之間作用是相互的,且非晶合金形變過程中的特性隨著應(yīng)變速率及溫度的不同會發(fā)生變化,從而鋸齒流變動力學(xué)具有一定的臨界性和復(fù)雜性.目前關(guān)于非晶合金的臨界性的相關(guān)理論和模型還有待完善,需要進(jìn)一步的深入研究.

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PACS:64.70.pe,64.70.qj,64.70.Q–,64.60.–iDOI:10.7498/aps.66.176401

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11271339),the Plan for Scienti fi c Innovation Talent of Henan Province,China(Grant No.164200510011),the Innovative Research TeaMof Science and Technology in Henan Province,China(Grant No.17IRTSTHN007),the Opening Fund of State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics,China(Grant No.LNM201710),and the National Key Research and Development PrograMof China(Grant No.2017YFB0702500).

?Corresponding author.E-mail:renjl@zzu.edu.cn

Critical phenomena in amorphous materials?

Ren Jing-Li?Yu Li-Ping Zhang Li-Ying
(School of Mathematics and Statistics,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

8 May 2017;revised manuscript

5 June 2017)

Amorphous material usually exhibit a complex atomic structure including short-range order,long-range disorder and metastable state in thermodynamic,which is one of the existing states of matters.Amorphous alloy,also named metallic glass,is a new metallic material,and has a high strength,a good electromagnetic property,an excellent corrosionresistant and a high elasticity.The systeMof amorphous alloy can show some critical states and is a complicated system.In recent years,much atttentions have been paid to the researches of the phase transitions and critical phenomena of amorphous material.On a microscale,amorphous alloy can be regarded as a solid composed of many-particle systems.The investigation of the critical phenomena can signi fi cantly enhance the understanding of the interactions among these multi-particle systems.The structure of amorphous alloy is randomly and isotropic in macro performance,and ordered and anisotropic on a localized nanometer scale.The characteristics on di ff erent scales of amorphous alloy are not isolated.The structure of amorphous alloy determines the performance.The preparation process determines the nature of the microstructure.The microstructure is the internal cause dominating glass transition and deformation.Moreover,the e ff ective cooling rate in preparation process of amorphous alloy a ff ects the short-range rate of the amorphous phase.The nonperiodic short-range order plays a key role in the stability of amorphous phase.Furthermore,the glass transition and deformation of amorphous alloys are the responses to the external energy.The characteristics of the deformation process change with external condition.The external force can lead to the localized shear deformation and transformation between amorphous and liquid in the shear band.High temperature can cause a wide range of transformation froMthe amorphous solid to the liquid.So it is worth understanding in depth the basic principles of liquid and glass transition in order to prepare amorphous alloy in undercooled liquids.In this review article,we discuss the critical phenomena of amorphous alloys,which include the preparation process,the microstructure,the mechanical property and the electromagnetism.The correlation and the in fl uence of microstructure on the macroscopic properties are analyzed.It will be helpful for understanding the nature of amorphous alloy,improving service reliability and exploring amorphous alloys with application values.

amorphous alloys,critical behaviour,microstructure,phase transition

10.7498/aps.66.176401

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11271339)、河南省創(chuàng)新人才計(jì)劃(批準(zhǔn)號:164200510011)、河南省科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì) (批準(zhǔn)號:17IRTSTHN007)、非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(批準(zhǔn)號:LNM201710)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng) (批準(zhǔn)號:2017YFB0702500)資助的課題.

?通信作者.E-mail:renjl@zzu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn