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中國科學(xué)院金屬研究所
非晶合金變形機(jī)理取得新進(jìn)展—非晶合金變形中的“加工硬化”現(xiàn)象
材料新視野
2014年05月12日
眾所周知，非晶合金的變形依靠剪切變形及剪切帶來進(jìn)行，但是由于變形過程中的形變軟化，非晶合金的變形高度局限于極少量的剪切帶內(nèi)，從而表現(xiàn)為宏觀脆性。由于缺乏晶體材料中的位錯(cuò)及晶界等強(qiáng)化機(jī)制，形變軟化一直被視為非晶合金的本質(zhì)變形特征，也極大地影響了其應(yīng)用前景。
非晶合金中, 如果剪切變形和剪切帶的產(chǎn)生被抑制，其又將表現(xiàn)出怎樣的變形行為呢？是否也有加工硬化現(xiàn)象？最近，沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室非平衡金屬材料研究部李毅研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過在非晶合金變形過程中引入三維拉應(yīng)力狀態(tài)而抑制剪切變形的發(fā)生，首次在非晶合金中發(fā)現(xiàn)“加工硬化”現(xiàn)象，并揭示了此條件下非晶合金的變形機(jī)理，為非晶合金的變形行為提供了新的理論依據(jù)。該成果已發(fā)表在近期出版的《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters 111 (2013) 135504）上，并被選為該期Highlight。
非晶合金的變形過程是剪切導(dǎo)致自由體積產(chǎn)生和擴(kuò)散導(dǎo)致自由體積湮滅兩種機(jī)制競爭的過程。而傳統(tǒng)的單軸拉伸過程中自由體積產(chǎn)生速率遠(yuǎn)大于湮滅速率，從而出現(xiàn)自由體積在剪切帶內(nèi)的聚集而表現(xiàn)為形變軟化。但李毅小組研究發(fā)現(xiàn)，如果在變形過程中引入三維拉應(yīng)力狀態(tài)，剪切應(yīng)力急劇降低，從而限制剪切帶的產(chǎn)生和快速擴(kuò)展。在這種條件下非晶產(chǎn)生均勻變形，同時(shí)自由體積產(chǎn)生速率減小，擴(kuò)散速率增加，從而出現(xiàn)自由體積湮滅占主導(dǎo)位置的變形過程。從而使非晶合金的變形機(jī)制從傳統(tǒng)的“形變軟化”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹庸び不薄Ｓ捎跊]有了剪切帶產(chǎn)生，非晶的彈性極限被打破，非晶具有更高的斷裂強(qiáng)度（約2.9 GPa，相對于單軸拉伸強(qiáng)度提高80%）和前所未有的優(yōu)良塑性變形能力及斷裂韌性。通過對變形后樣品的顯微硬度及弛豫焓的分析，也進(jìn)一步確認(rèn)了變形過程中的“加工硬化”現(xiàn)象與自由體積湮滅的關(guān)系。
這項(xiàng)工作不僅揭示了非晶合金全新的變形行為，填補(bǔ)了其在“加工硬化”變形行為研究方面的空白，更完善了非晶合金的變形理論。這項(xiàng)工作也使許多非晶變形機(jī)制面臨重新認(rèn)識(shí)和分析，比如斷裂、疲勞以及斷裂韌性。同時(shí)也為非晶合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了嶄新的思路。
非晶合金中, 如果剪切變形和剪切帶的產(chǎn)生被抑制，其又將表現(xiàn)出怎樣的變形行為呢？是否也有加工硬化現(xiàn)象？最近，沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室非平衡金屬材料研究部李毅研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過在非晶合金變形過程中引入三維拉應(yīng)力狀態(tài)而抑制剪切變形的發(fā)生，首次在非晶合金中發(fā)現(xiàn)“加工硬化”現(xiàn)象，并揭示了此條件下非晶合金的變形機(jī)理，為非晶合金的變形行為提供了新的理論依據(jù)。該成果已發(fā)表在近期出版的《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters 111 (2013) 135504）上，并被選為該期Highlight。
非晶合金的變形過程是剪切導(dǎo)致自由體積產(chǎn)生和擴(kuò)散導(dǎo)致自由體積湮滅兩種機(jī)制競爭的過程。而傳統(tǒng)的單軸拉伸過程中自由體積產(chǎn)生速率遠(yuǎn)大于湮滅速率，從而出現(xiàn)自由體積在剪切帶內(nèi)的聚集而表現(xiàn)為形變軟化。但李毅小組研究發(fā)現(xiàn)，如果在變形過程中引入三維拉應(yīng)力狀態(tài)，剪切應(yīng)力急劇降低，從而限制剪切帶的產(chǎn)生和快速擴(kuò)展。在這種條件下非晶產(chǎn)生均勻變形，同時(shí)自由體積產(chǎn)生速率減小，擴(kuò)散速率增加，從而出現(xiàn)自由體積湮滅占主導(dǎo)位置的變形過程。從而使非晶合金的變形機(jī)制從傳統(tǒng)的“形變軟化”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹庸び不薄Ｓ捎跊]有了剪切帶產(chǎn)生，非晶的彈性極限被打破，非晶具有更高的斷裂強(qiáng)度（約2.9 GPa，相對于單軸拉伸強(qiáng)度提高80%）和前所未有的優(yōu)良塑性變形能力及斷裂韌性。通過對變形后樣品的顯微硬度及弛豫焓的分析，也進(jìn)一步確認(rèn)了變形過程中的“加工硬化”現(xiàn)象與自由體積湮滅的關(guān)系。
這項(xiàng)工作不僅揭示了非晶合金全新的變形行為，填補(bǔ)了其在“加工硬化”變形行為研究方面的空白，更完善了非晶合金的變形理論。這項(xiàng)工作也使許多非晶變形機(jī)制面臨重新認(rèn)識(shí)和分析，比如斷裂、疲勞以及斷裂韌性。同時(shí)也為非晶合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了嶄新的思路。