中科院物理所汪卫华&柳延辉Nat. Commun. : 磁畴解密铁磁金属玻璃中的剪切带影响区

【引言】

尽管金属玻璃(MGs)具有显著的强度和弹性，但其延展性阻碍了其广泛应用。由于应变软化，MG在远低于玻璃化转变温度下的塑性变形强烈地局限在剪切带中，该剪切带控制MG的屈服和断裂行为。剪切带通常是由剪切转变区(STZ)的协同对准产生的纳米级平面物体。先前通过TEM观察表明剪切带的厚度约为10-20nm，并且该值长期以来在许多MG变形模型中被采用。然而，后来通过不同技术进行的研究表明剪切带存在于更广泛的区域。为了精确地绘制剪切带影响区(SBAZ)，需要具有足够高的灵敏度和空间分辨率的方法。磁畴与磁各向异性相关并反映自旋结构。10^-5数量级的变形应变很难通过X射线测量，但可以完全重构磁畴图谱。对于没有磁晶各向异性的铁磁MG，磁畴结构以磁弹性各向异性为主，并且对局部应力引起的原子位移极其敏感。因此，磁畴结构的演变可以直接反映铁磁MG变形时的局部结构变化和应力/应变分布。也就是说，通过磁力显微镜(MFM)易于观察到的磁畴能够以纳米级高精度和高空间分辨率探索剪切带周围的受影响区域。

【成果简介】

近日，中科院物理所汪卫华院士、柳延辉研究员(共同通讯作者)等以磁畴作为高灵敏度和空间分辨率的探针详细揭示了剪切带影响区(SBAZ)的结构，并在Nat. Commun.上发表了题为“Shear-band affected zone revealed by magnetic domains in a ferromagnetic metallic glass”的研究论文。作者证实剪切带伴随着在应变场中具有梯度的微米级SBAZ，并且多个剪切带通过SBAZ的叠加相互作用。此外，还存在从剪切带延伸数百微米的超长程渐变弹性应力场。上述研究结果提供了剪切带的全面图像，对于阐明玻璃中塑性变形的微观机理非常重要。

【图文简介】
图1 剪切带的典型AFM和MFM显微图像

a) 弯曲Fe₇₈Si₉B₁₃ MG带时剪切带的SEM图像；
b) 剪切带的3D AFM等高线图像；
c,d) AFM等高线图像和单个剪切带的相应MFM相位图像；
e) 沿c和d图中的横向黑色和红色虚线的高度以及相应的MFM相位曲线；
f) 沿剪切带两侧的线的MFM相曲线，如d中的彩色虚线所示；
g,h) AFM等高线图像以及相应的MFM相位图像；
i) 沿g和h中的横向黑色和红色虚线的高度和相应的MFM相位曲线；
j) 沿h中彩色虚线的MFM相位曲线。

图2 200 μm长剪切带的AFM和MFM显微图像

a,g) AFM等高线图像以及相应的单个剪切带覆盖200 μm的MFM相位图像；
b-f) 沿剪切带不同位置的高度曲线；
h) 剪切带延伸前沿的70×70 μm² 3D MFM相位图像；
i-k) g图中的绿色方块标记的10×10 μm²区域中的3D MFM相位放大图像。

图3 单重剪切带周围的超长程磁畴图谱

a-c) 离剪切带不同距离的典型MFM相位图像；
d) MFM相移的均方根(RMS)值随距离剪切带距离的变化。

图4 多重剪切带的典型MFM显微图像

a) 多个剪切带的MFM相位图像；
b) 沿a图黑色箭头指示的路径中的高度以及相应的MFM相位曲线；
c) 沿a图中的彩色箭头指示的两个相邻剪切带MFM相位曲线；
d) 具有交叉点的多重剪切带的MFM相位图像；
e) 沿d图中直线的高度以及相应的MFM相位曲线；
f) d图中蓝色椭圆标记区域中的两个交叉剪切带MFM相位曲线。

图5 退火后磁畴的变化

a) 在573K退火5 h后的MFM相图像；
b) 在573K退火60 h后的MFM相图像；
c) 在693K退火1 h后的MFM相图像。

图6 剪切带影响区的示意图

剪切带影响区的示意图。灰色区域代表数百微米的长程弹性区域，有色区域代表剪切带的有效变形区，其中亮红色线代表纳米级剪切带的核心，红色区域代表宽度为几微米的严重变形区域，浅蓝色区域表示长度为数十微米的扩展应变梯度场。 三个30×30 μm² MFM相位图像代表相应区域中的典型磁畴图谱(波状畴图谱、扩展畴图谱、拉链状畴图谱)

【小结】

综上所述，作者以具有高灵敏度和空间分辨率的磁畴作为探针证实了剪切带诱导剪切带影响区的结构。作者发现剪切带影响区由纳米级剪切带、剪切带附近的微米级严重变形区和数十微米的扩展应变梯度场组成。随着剪切带间距的减小，每个带的剪切带影响区导致了剪切带之间的相互作用。此外，还存在从剪切带延伸数百微米且具有渐变应力场的超长程弹性区域。该工作中的方法和结果为可视化观察剪切带影响区提供了重要参考，能够进一步加深研究人员对MG中应变局部化的理解。所揭示的剪切带影响区对于理解MG中塑性变形的微观机制以及设计坚韧的MG来说非常重要。

文献链接：Shear-band affected zone revealed by magnetic domains in a ferromagnetic metallic glass (Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06919-2)

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