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        金屬所首次在塊體非晶態材料中實現加工硬化
         
        2020-02-27 | 文章來源:沈陽材料科學國家研究中心辦公室        【 】【打印】【關閉

          加工硬化或形變硬化,即金屬材料隨塑性變形而引起強度升高的行為,反映材料在均勻塑性變形中抵抗進一步變形的能力。它是工程材料力學行為最重要的現象,也是金屬作為結構材料廣泛應用的重要依據。非晶合金(也稱金屬玻璃)具有許多優異的機械性能(高屈服應力、高韌性和破紀錄的“損傷容忍度”),但應變軟化卻是其致命弱點。與傳統晶體材料不同,它們的變形高度局域化,表現為以剪切帶主導的非均勻變形。這直接導致了其室溫脆性,成為非晶合金的瓶頸問題。因此,實現塊體非晶合金的加工硬化行為,被認為是非晶合金乃至所有無定型材料領域的核心科學問題。

          近期,金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料動力學研究部李毅研究員(通訊作者),潘杰副研究員(第一作者)和博士生周維華與英國劍橋大學材料系 A.L. Greer教授(通訊作者)、Y. P. Ivanov博士合作,首次在塊體非晶態材料中實現加工硬化,顛覆了人們對非晶態材料形變軟化行為的固有認識,為開發具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業應用提供了新思路和方向。相關成果于2月26日在《自然》(Nature)發表。

          研究人員首先通過三維壓應力的方法使塊體非晶合金產生大范圍、高程度的回春,開發出最高能量狀態相當于冷速為1010K/s的非晶合金(Nature Communications 2018)。在此基礎上,通過單軸拉伸或壓縮測試發現:高能量狀態(回春態)的塊體非晶合金在變形時表現出加工硬化現象和優異的塑性變形能力(圖1)。在加工硬化階段,觀察不到任何剪切帶,表明合金發生了均勻流變,這完全不同于傳統非晶合金依靠剪切帶的變形行為。此外,非晶合金的硬化速率遠高于任何常見的晶體金屬體系。對比回春態和傳統鑄態塊體非晶合金在變形前后的結構和能量狀態變化時發現,回春態非晶合金在加工硬化過程中硬度明顯上升,但能量顯著降低(圖2)。非晶合金的徑向分布函數結果表明加工硬化后回春態塊體非晶合金的結構更加有序化(密度增加),與傳統鑄態非晶合金形變軟化和能量升高的變形過程完全相反。

          晶體金屬加工硬化的原理是變形過程中位錯增殖和相互作用阻礙了彼此的運動,這一微觀機制最早由G. I. Taylor在1934年提出。雖然微觀結構等其他因素也會影響材料的加工硬化行為,但其最基本原理沒有改變,仍然是缺陷增殖,并導致材料能量增加的過程。然而,此次研究結果表明,塊體非晶合金的加工硬化卻是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少(更馳豫狀態),是一個由高能態向低能態的轉變過程。這與晶體材料的傳統加工硬化過程完全相反,表明非晶合金具有完全不同的加工硬化機制。此研究不僅是八十五年來對材料加工硬化機理的重新認識,也為非晶態材料作為結構材料的應用奠定堅實的理論基礎。

          該研究得到國家自然基金,沈陽材料科學國家研究中心,中國科學院金屬所和中國科學院等項目資助。

          圖1 (a) 利用三維壓應力的方法使塊體非晶合金產生大范圍、高程度的回春,獲得高能態的塊體非晶合金;(b) 回春態塊體非晶合金在單軸壓縮時的加載-卸載-再加載曲線和真實應力-應變曲線(插圖)。

          圖2 變形過程中塊體非晶合金的能量狀態和結構的變化。(a) 回春態非晶合金在變形前后的DSC曲線和馳豫焓;鑄態和回春態非晶合金的(b)歸一化硬度,(c)馳豫焓,以及(d)主衍射環位置q1與塑性變形量間的關系。回春態非晶合金在最初變形階段(<5%)表現出顯著的加工硬化,伴隨著硬度升高和能量的降低,以及結構的有序化。這完全不同于傳統鑄態非晶合金應變軟化并伴隨能量增加過程。

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