新研究确立非晶合金力学弛豫与平衡动力学之间的内禀性关联

　　图 (a) 杨氏模量和硬度随老化时间的演变；(b) 应力松弛时间τSR与老化温度1/Ta在Tf==554 K的演变规律；(c) 在玻璃和过冷液体区域老化过程中τSR的演变；(d) 不同老化时间和温度下参数 随老化时间的演变规律

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51971178、52271153、12072344）等资助下，西北工业大学力学与土木建筑学院乔吉超教授、西班牙加泰罗尼亚理工大学Eloi 教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所童钰博士，西班牙加泰罗尼亚理工大学E. Jiménez-Piqué教授，中国科学院力学研究所王云江研究员，香港城市大学杨勇教授，日本东北大学Takeshi Wada博士、Hidemi Kato教授，法国国立里昂应用科学学院Jean-Marc Pelletier教授等国内外研究人员合作，在高熵非晶合金动力学弛豫研究领域取得新进展，确立了非晶合金力学弛豫与平衡动力学之间的内禀性关联。这项工作为理解高熵非晶合金的动力学和热力学行为，及其与微观结构非均匀性之间的联系，提供了全新的科研视角。研究成果以“高熵非晶合金力学弛豫与平衡动力学的内禀性关联（Connection between mechanical relaxation and equilibration kinetics in a high-entropy metallic glass）” 为题，于2024年1月29日在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.056101。

　　高熵非晶合金因温度变化后原子重排速度缓慢而偏离过冷液态的亚稳平衡，导致诸如老化、回春和记忆效应等复杂现象，为理解高熵非晶合金物理特性及其动力学和热力学行为的演变带来挑战。高熵非晶合金结构不断演化，在势能景观中往更稳定的状态迁移，即物理老化，此过程受结构弛豫动力学控制，并与材料的脆性、断裂和疲劳等行为紧密相关。在玻璃状态下，高熵非晶合金引发应力弛豫和结构弛豫并交织在一起，使弛豫动力学、热力学与老化之间仍存有待解之谜。

　　研究团队深入探索了Pd20Pt20Cu20Ni20P20高熵非晶合金在结构动力学和热动力学特性上的内在联系，如图所示。随着物理时效的增长，其应力松弛特性与焓平衡动力学呈现明显的相关性，这一发现突破了传统观点，即物理老化仅与β弛豫相关。研究表明，激活能随物理老化时间变化，并显示出广泛的激活能分布。应力松弛的弛豫时间与焓弛豫时间及微纳力学特性（如杨氏模量和硬度）的平衡速率成正比。值得关注的是，高熵非晶合金的动态非均匀性与纳米压痕测得的微观结构非均匀性呈现相反的趋势。通常，玻璃的动态性能与其空间结构的非均匀性密切相关，但该研究发现在空间结构趋于均匀化的同时，动态非均匀性却有所增加。这种动态非均匀性可能是老化初期阶段的特征，其来源不仅与具有不同松弛时间尺度的空间区域分布相关，也与不同类型原子的微观重排相关的松弛模式有关。这些松弛模式可通过剪切转变区域或类似原子团运动等力学及物理机制的类型，以及其合作性的程度来区分。研究发现，动态非均匀性的变化与这些机制的时间尺度及其对总体松弛的相对贡献与老化演变过程紧密相关。此外，应力松弛动力学行为比焓弛豫表现出更显著的变化，表明应力松弛动力学行为是一个更敏感的指标，可用于表征高熵非晶合金的结构状态。该工作为高熵非晶合金动力学和热力学领域的研究提供了新思路。