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块体金属玻璃的纳米摩擦硬化及塑性变形机制研究

金属玻璃的热塑性特性使得其在高精密的微/纳米器件领域具有很大的应用潜力。器件之间的相对运动必然引起材料的摩擦与磨损，因此研究块体金属玻璃在纳米尺度的摩擦学行为及塑性变形机制具有重要的理论意义和实用价值。基于热塑压印成型方法，我们成功制备了具有原子级平整表面的Pt基块体金属玻璃，这为金属玻璃的纳米摩擦学研究奠定了关键的技术基础。基于上述的块体金属玻璃样品，我们研究了不同载荷条件下块体金属玻璃的纳米摩擦学行为和塑性变形特征。研究表明：当载荷增加至临界载荷113 nN时，划痕产生的材料变形依然呈现为弹性变形，无沟槽特征，但是划痕的摩擦力明显降低。结合分子动力学模拟，发现摩擦力下降的物理机制是金属玻璃次表面的短程原子团簇结构从低配位数向高配位数转变的结果，从而使得材料表面产生了硬化。当载荷进一步增加至210 nN时，划痕出现明显的沟槽形貌，均匀而连续的材料堆积说明材料的变形是均匀的塑性变形。结合分子动力学模拟，发现剪切应变区（STZ）内局部应变的减小弱化了剪切膨胀效应，而变形的均匀热分布增强了结构弛豫作用，加速了自由体积的湮灭，两者的协同作用使得金属玻璃在摩擦剪切作用下呈现为均匀的塑性变形。