寧波材料所非晶合金本徵韌脆性機理研究獲進展

2021-01-08 中國科學院

　　塊體非晶合金因其獨特的原子排列特徵而具有許多優異的力學性能，如高的強度、硬度、以及彈性極限等，成為近年來材料領域的研究熱點之一。但由於非晶合金在變形過程存在的室溫脆性與應變軟化等問題，極大地制約了其作為結構材料的廣泛應用。因此，深入理解非晶合金本徵韌脆性的根源，並以此為基礎開發兼具有高強高韌性能的塊體非晶合金就具有重要的意義。針對這一關鍵問題，目前人們主要還是通過材料的泊松比等物理量來對非晶合金的本徵韌脆性進行描述。即泊松比值大於0.31-0.32這一臨界值的CuZr基、Pd基、Pt基等非晶合金表現為相對韌性，而低於這一臨界值的Mg基、Fe基等非晶合金表現為明顯的脆性。但是，隨著研究的不斷深入，這一經驗規律的普適性越來越受到挑戰，如Au基非晶合金的泊松比高達0.40，但卻表現為明顯的脆性。

　　最近，中國科學院磁性材料與器件重點實驗室（寧波材料技術與工程研究所）非晶軟磁研究團隊發現，非晶合金的本徵韌脆性與其「血型」密切相關。由於快速凝固過程中，不同非晶形成合金過冷熔體發生元素「旋節分解（spinodal decomposition）」的熱力學驅動力不同，將會導致鑄態非晶合金元素分布狀態的截然不同。由此，研究人員提出了一個全新的非晶合金分類方法，首次將不同的非晶合金劃分為成分位於相圖中共晶點附近的「E-型非晶」與成分位於相圖中金屬間化合物成分附近的「C-型非晶」兩個基本類型，以及它們的混合類型「H-型非晶」。進一步研究發現，非晶合金的本徵韌脆性與其元素分布狀態的均勻與否存在著密切的對應關係。即元素分布均勻的「C-型非晶」具有很高的塑性變形能力，而元素分布不均勻的「E-型非晶」卻表現為明顯的脆性。雖然進一步的退火弛豫會導致「E-型非晶」與「C-型非晶」屈服強度、硬度以及密度的增加，但其對這兩類非晶合金塑性的影響卻截然不同，呈現「脆者（E-型非晶）更脆，韌者（C-型非晶）恆韌」的奇異現象。通過對上述實驗結果的分析，結合非晶變形過程中剪切帶內元素分布狀態的動態演化過程及對應的能量變化，研究人員提出了一個全新的非晶合金剪切變形的動態模型，很好地解釋了這一現象。該工作非晶合金新的分類方法以及新的剪切變形模型的提出，為人們進一步深入理解非晶合金的本徵韌脆性提供了一個全新的視角，不僅很好地重新詮釋了CuZr基、Pd基、Pt基等非晶合金的韌性以及Mg基、Fe基等非晶合金的脆性問題，也清晰地闡明了高泊松比Au基非晶合金的脆性根源。另外，退火前後「韌者恆韌」的「C-型非晶」的發現也為人們進一步通過相圖信息尋找更多的高塑性塊體非晶合金指明了方向，具有重要的理論意義與實際指導意義。

　　相關結果被發表在Nature 旗下的Scientific Reports (Scientific Reports 4, 5733 (2014))上。該研究工作獲得國家自然科學基金面上基金、浙江省自然科學基金、寧波市自然科學基金等項目的支持。

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　　不同非晶合金退火前後的「脆者（E-型非晶）更脆，韌者（C-型非晶）恆韌」現象（左圖），及其對應的剪切變形模型與解釋（右圖）。

　　通過相圖信息對非晶合金本徵韌脆性成分依賴性的新理解

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