金屬所等發現非晶合金在均勻塑性變形下具有高度回春現象

2021-01-10 中國科學院
金屬所等發現非晶合金在均勻塑性變形下具有高度回春現象

2018-02-11 金屬研究所

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　　非晶合金是一種亞穩態材料，在不同製備條件下具有不同的能量狀態。由高能量向低能量狀態轉變的過程稱為結構弛豫(relaxation)；而由低能量向高能量狀態轉變的過程稱為「回春」(rejuvenation)。非晶合金在常規條件下會發生結構弛豫，伴隨著結構和性能的改變。但如何最大程度地實現非晶合金回春，仍是一項具有挑戰性的工作。研究非晶合金的回春現象，對於認識非晶的微觀結構和原子排列，理解其變形行為和機制以及提高其性能具有重要意義。

　　近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室非平衡金屬材料研究部研究員李毅，金屬所博士潘傑、王寅霄，與上海交通大學教授張荻、郭強，以及英國劍橋大學教授Greer合作，通過室溫均勻塑性變形的方法實現非晶合金高度回春，得到等效於冷速高達1010K/s的非晶合金。

　　非晶合金回春的方法之一是通過對材料塑性變形實現的。但以往研究表明，由於非晶合金塑性變形的非均勻性，其應變高度局限於狹窄剪切帶內，使其回春程度非常低。研究發現，通過引入三維應力狀態能有效抑制剪切變形，可實現非晶合金在室溫壓縮條件下產生均勻變形。對變形後試樣的硬度和熱力學行為分析發現，非晶合金在大尺寸（毫米級）範圍內發生劇烈的軟化和回春，伴隨著自由體積增加和結構的無序化。變形後非晶合金的最高軟化可達36%，弛豫焓高達3.42kJ/mol。其能量狀態等同於冷卻速度為1010K/s的非晶合金，是目前文獻報導中最高的。此外，通過此方法儲存的變形能接近30%，是傳統單軸壓縮方法的3倍。

　　非晶合金變形過程中的結構變化可視為剪切導致自由體積產生，以及擴散導致自由體積湮滅兩種機制競爭的過程。基於自由體積模型對三維應力狀態的變形行為深入分析發現，非晶合金在三維應力下表現出顯著的拉壓不對稱性。三維拉應力有利於自由體積的湮滅：在某一臨界應力時自由體積產生速率低於湮滅速率從而發生加工硬化和緻密化。而三維壓應力抑制原子擴散，自由體積產生的速率總是大於湮滅速率。同時由於剪切應力低於剪切帶產生的臨界應力，從而有效避免應變局域化。非晶合金在變形過程中自由體積持續穩步增加，最終產生劇烈的回春和軟化。該研究豐富了非晶合金的室溫變形理論，並為深入認識非晶合金的原子結構以及改變其性能奠定基礎。

　　研究工作得到了國家自然科學基金委項目等的資助，2月8日相關研究成果在線發表在Nature Communications上。

圖1.非晶合金在三維壓應力下形變量為40%時的硬度分布

圖2.非晶合金在均勻壓縮變形後弛豫焓的變化規律(a,b)，以及非晶合金各種回春方法的等效冷速(c)

　　非晶合金是一種亞穩態材料，在不同製備條件下具有不同的能量狀態。由高能量向低能量狀態轉變的過程稱為結構弛豫(relaxation)；而由低能量向高能量狀態轉變的過程稱為「回春」(rejuvenation)。非晶合金在常規條件下會發生結構弛豫，伴隨著結構和性能的改變。但如何最大程度地實現非晶合金回春，仍是一項具有挑戰性的工作。研究非晶合金的回春現象，對於認識非晶的微觀結構和原子排列，理解其變形行為和機制以及提高其性能具有重要意義。
　　近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室非平衡金屬材料研究部研究員李毅，金屬所博士潘傑、王寅霄，與上海交通大學教授張荻、郭強，以及英國劍橋大學教授Greer合作，通過室溫均勻塑性變形的方法實現非晶合金高度回春，得到等效於冷速高達1010K/s的非晶合金。
　　非晶合金回春的方法之一是通過對材料塑性變形實現的。但以往研究表明，由於非晶合金塑性變形的非均勻性，其應變高度局限於狹窄剪切帶內，使其回春程度非常低。研究發現，通過引入三維應力狀態能有效抑制剪切變形，可實現非晶合金在室溫壓縮條件下產生均勻變形。對變形後試樣的硬度和熱力學行為分析發現，非晶合金在大尺寸（毫米級）範圍內發生劇烈的軟化和回春，伴隨著自由體積增加和結構的無序化。變形後非晶合金的最高軟化可達36%，弛豫焓高達3.42kJ/mol。其能量狀態等同於冷卻速度為1010K/s的非晶合金，是目前文獻報導中最高的。此外，通過此方法儲存的變形能接近30%，是傳統單軸壓縮方法的3倍。
　　非晶合金變形過程中的結構變化可視為剪切導致自由體積產生，以及擴散導致自由體積湮滅兩種機制競爭的過程。基於自由體積模型對三維應力狀態的變形行為深入分析發現，非晶合金在三維應力下表現出顯著的拉壓不對稱性。三維拉應力有利於自由體積的湮滅：在某一臨界應力時自由體積產生速率低於湮滅速率從而發生加工硬化和緻密化。而三維壓應力抑制原子擴散，自由體積產生的速率總是大於湮滅速率。同時由於剪切應力低於剪切帶產生的臨界應力，從而有效避免應變局域化。非晶合金在變形過程中自由體積持續穩步增加，最終產生劇烈的回春和軟化。該研究豐富了非晶合金的室溫變形理論，並為深入認識非晶合金的原子結構以及改變其性能奠定基礎。
　　研究工作得到了國家自然科學基金委項目等的資助，2月8日相關研究成果在線發表在Nature Communications上。

圖1.非晶合金在三維壓應力下形變量為40%時的硬度分布

圖2.非晶合金在均勻壓縮變形後弛豫焓的變化規律(a,b)，以及非晶合金各種回春方法的等效冷速(c)

列印 責任編輯：侯茜

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