高熵金属玻璃由于兼具高熵合金和金属玻璃的优点在基础研究与工程应用等领域受到广泛关注。作为一种先进的结构和功能材料，其机械性能，尤其是塑性变形能力，始终是需要考虑的首要因素。不幸的是，由于长程有序结构的缺失，使得探索金属玻璃的塑性变形机理仍然困难重重。研究发现金属玻璃体系内部的缺陷激活对于理解其塑性变形极其重要，在外界条件刺激下，这些缺陷会克服自身能垒的限制从而发生激活与演化，并进一步导致金属玻璃的力学性能发生变化，例如硬度、弹性模量等。目前常见的方法是利用Maxwell-Voigt模型得出其特征弛豫时间谱以此分析其介观尺度的缺陷激活 [Intermetallics 144 (2022) 107527；Intermetallics 153 (2023) 107803]，或者通过剪切变形区（STZ）研究纳观尺度的缺陷激活行为，但是关于不同缺陷之间的联系以及其对于金属玻璃塑性变形行为产生的影响仍未做过多深入研究。另外，关于材料构型熵对金属玻璃的缺陷激活机制的影响也鲜有报道。
近日，东南大学材料科学与工程学院袁晨晨副教授（本文通讯作者）团队 利用纳米压痕技术对Gd18.33Tb18.33Dy18.34Co17.5Al27.5高熵金属玻璃塑性变形行为进行了深入研究。 相关研究成果以题为「 Multi-scale def ects activation in Gd18.33Tb18.33Dy18.34Co17.5Al27.5 high-entropy metallic glasses revealed by nanoindentation」发表在塑性力学国际顶级期刊【International Journal of Plasticity】上，本文第一作者为东南大学材料科学与工程学院2022级博士研究生李伟。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103893
研究人员基于课题组之前开发出的具有极佳玻璃形成能力的GdCoAl三元低熵金属玻璃的基础上[J. Non-Cryst. Solids, 600 (2023) 121992，https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121992]，通过考虑原子尺寸差效应、原子间化学相互作用、以及混合焓等多方面因素下，采用熵增原理通过微合金化稀土Tb与Dy，成功制备了GdTbCoAl中熵和GdTbDyCoAl高熵金属玻璃[Mater. Des. 238 (2024) 112653 https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112653]。本研究结果表明，相较于低熵和中熵金属玻璃，高熵金属玻璃展现出更高的玻璃转变温度（ Tg ）和结晶起始温度（ Tx ）。此外，在纳米压痕过程中，高熵金属玻璃始终表现出最大的硬度与弹性模量。基于Maxwell-Voigt模型深入分析了介观尺度下样品的缺陷激活行为，结果表明，在较高加载速率下，与长特征弛豫时间相关的众多大缺陷在高熵金属玻璃中成功被激活，这导致了其较大的纳米压痕位移，如图1和图2所示。同时这些大的缺陷也与高熵金属玻璃中的大尺寸的STZs之间的逾渗行为相关联。通过对纳米尺度的STZ计算结果表明高熵金属玻璃中的STZ尺寸最大（图3），这意味着其激活过程需要克服更大的能垒，导致激活较为困难，进一步使其纳米压痕位移难以发生较大变化。对低熵、中熵、高熵金属玻璃的局部有序结构统计结果表明，高熵金属玻璃具有高的结构有序度。基于能量势垒图（potential energy landscape，PEL）理论，高熵金属玻璃应位于PEL图中较低的能量位置，其内部的STZ激活需要克服较大能垒（图4）；而中熵金属玻璃由于较低的结构有序度处于PEL图中能量较高位置，相应能垒也较低，STZ的激活也更加容易，微观结构分析结果与STZ计算结果十分吻合。与此同时，我们也对样品载荷位移（ P - h ）曲线中出现的首次锯齿流变（pop-in）现象进行了统计分析，结果表明中熵金属玻璃的固有无序结构较为松散且不稳定，其对外部应力的响应变化较大。
该研究从多尺度缺陷激活的角度揭示了金属玻璃的塑性变形机理，并强调了构型熵对提高玻璃态材料的热稳定性和机械稳定性（如高 Tg 和 Tx 以及高硬度和弹性模量）的重要影响。它为高熵材料的熵效应对流动缺陷激活机制的影响提出了新的理解，这对进一步的高熵金属玻璃设计和实际应用具有重要意义。
该工作得到国家自然科学基金（Grant No. 52071078）、东南大学「至善学者」计划（Grant No. 2242021R41158）、江苏省先进金属材料重点实验室（Grant No. BM2007204）等项目的支持。
图1 (a) 纳米压痕实验示意图；(b) 载荷-时间和位移-时间示意图；(c) 高熵金属玻璃在5 mN/s加载速率下的 P - h 曲线；(d-f) 低熵、中熵、高熵金属玻璃位移时间曲线；(g-i) 低熵、中熵、高熵金属玻璃的最大纳米压痕位移。
图2 (a-c) 基于Maxwell-Voigt模型对低熵、中熵、高熵金属玻璃位移时间曲线的拟合；(d-i) 加载速率为5和100 mN/s下样品的位移时间曲线拟合及其拟合参数；(j-i) 低熵、中熵、高熵金属玻璃的特征弛豫时间谱。
图3 (a-b) 低熵、中熵、高熵金属玻璃中硬度与应变速率在5和100 mN/s加载速率下的对数关系；(c) 高熵金属玻璃 P - h 曲线及其Hertzian方程拟合；(d) 低熵、中熵、高熵金属玻璃 P - h 曲线中出现第一次Pop-in现象时的最大载荷；(e) 样品第一个Pop-in出现时的最大剪切应力的累积概率分布；(f) ln(ln(1- f )-1) 与最大剪应力的线性拟合。
图4 (a) 样品激活缺陷分布示意图；(b, c) 大尺寸STZ及其能垒图；(d, e) 小尺寸STZ及其能垒图；(f) 典型的PEL图；(g) 低熵、中熵、高熵金属玻璃的PEL图。
*感谢论文作者团队的大力支持。
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