块体非晶应用两大门槛解决--汪卫华等攻克块状非晶大规模应用难点

      相比传统的晶态金属材料,非晶合金具有独特的物理和力学性能。但是,非晶态是一种复杂的结构无序体系,在能量上处于亚稳态。在通常条件下,非晶合金会发生结构弛豫(Aging),这种时效作用使得非晶合金的物理和力学性能都发生改变,如变脆、老化。非晶材料的老化是非晶合金大规模应用最大难题之一。如何克服非晶材料的弛豫、老化,一直是非晶材料面临的瓶颈问题。近些年来,国内外研究组试图通过表面喷丸、强变形和离子辐照等处理工艺方法,来解决非晶合金的老化问题, 这些方法都能发挥一定的抗老化(rejuvenation)作用,使得非晶的某些性能如塑性变形得到了不同程度的提高。如物理所非晶研究组和剑桥合作的表面喷丸方法可大大提高非晶合金的塑形【Nature Mater  5, 857-860 (2006)】; 他们发展的一种简单室温缠绕法可以方便、有效地调制非晶中的流动单元浓度,实现非晶合金中的室温塑性变形【Phys. Rev. Lett. 113, 045501 (2014).】。但是,喷丸和离子辐照只能影响非晶合金表面的性能,强变形引入了大量的剪切带,这些方法无论是可操作性还是工艺成本,都限制了其工业化应用。


      近些年来,通过实验和计算机模拟中发现,在非晶合金中存在着一些纳米尺度的类似于液体的区域。和周围区域相比,类液体区域表现出较低的原子堆积密度、较低硬度和模量、较高的能态、容易剪切变形和容易流动的特性。结合这些研究结果,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组提出了流动单元(flow units)模型来理解和解释非晶态物质的物理和力学问题。认为非晶合金中流动单元类似晶态材料中的缺陷,其浓度、尺寸和能量的分布决定着非晶合金的力学等性能、老化及其他特性,通过调控非晶合金中的流动单元,可以有效提高和改进非晶非晶力学等性能。这些工作对非晶合金性能及老化行为的调控及改性有一定的指导作用。


      最近,研究组汪卫华研究员、白海洋研究员、博士研究生鲁振与剑桥大学A. L. Greer教授领导的研究组、日本东北大学D. V. Louzguine-Luzgin合作,经过2年多的努力,发展出一种简单的非晶合金材料热循环处理工艺。该工艺将非晶合金在液氮或者液氦中浸泡几分钟,然后快速升温至室温并保持几分钟,如此多次循环。经过数十次循环之后发现,非晶合金整体能量升高,表现为非晶合金DSC曲线晶化前结构弛豫放热峰得到明显的增强。通过力学测试发现,热循环之后合金的硬度有明显的降低; 通过力学实验机压缩测量,热循环之后,合金的压缩塑性增加到7%以上,并且表面剪切带的数量增加。通过动态力学测试仪(DMA)测量加载动态力情况下非晶合金的损耗模量发现,热循环之后损耗峰的峰位向低温区移动,且强度提高。这些结果都表明,经过热循环处理之后流变单元的含量显著增加,非晶合金的结构更加不均匀,使得合金发生了rejuvenation(恢复)效应。即经过处理的非晶合金抗老化能力大大增强。 非晶合金抗老化能力增强的表现之一就是使得非晶在受力条件下,更多的流变单元能演化成剪切带, 中更容易产生剪切带。非晶的宏观塑性形变主要由剪切带的数目来决定的,这使得非晶合金的宏观塑性大大提高。


      冷热循环抗非晶合金老化方法和和离子辐照、表面喷丸、强变形等方法相比,具有非破坏、不改变形状、不限制样品尺寸、不产生剪切带的特性。更重要的是在工业上易于实现。通过这些方法,可以有效地提高非晶合金的机械性能并且能够降低工艺处理成本,对非晶合金的工业化生产以及商业化应用起到推动作用。


相关结果发表在Nature 524, 200-203 (2015).上。本项工作得到了国家自然科学基金项目,973项目和中国科学院的支持。
附图:
图1:非晶合金热循环示意图。循环温度均低于β弛豫峰温度以下。经过循环处理之后,合金内部flow units含量升高。
图2:热循环处理前后DSC曲线图。通过热处理之后,非晶合金发生回春现象,并且此现象与循环次数相关。

图3:通过热循环处理之后,样品的屈服强度和硬度得到了明显的降低。


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