东南大学《IJP》：纳米压痕揭示高熵金属玻璃多尺度缺陷激活机制！

　　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，，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 。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。

　　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 (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。