中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊 近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心材料動(dòng)力學(xué)研究部李毅研究員，潘杰副研究員和博士生周維華與英國(guó)劍橋大學(xué)材料系 A.L. Greer教授、Yu. P. Ivanov博士合作，首次在塊體非晶態(tài)材料中實(shí)現(xiàn)加工硬化。相關(guān)成果于2月26日在《自然》（Nature）發(fā)表。

加工硬化或形變硬化，即金屬材料隨塑性變形而引起強(qiáng)度升高的行為，反映材料在均勻塑性變形中抵抗進(jìn)一步變形的能力。這是工程材料力學(xué)行為最重要的現(xiàn)象，也是金屬作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用的重要依據(jù)。非晶合金（也稱金屬玻璃）具有許多優(yōu)異的機(jī)械性能（高屈服應(yīng)力、高韌性和破紀(jì)錄的“損傷容忍度”），但應(yīng)變軟化卻是其致命弱點(diǎn)。與傳統(tǒng)晶體材料不同，它們的變形高度局域化，表現(xiàn)為以剪切帶主導(dǎo)的非均勻變形。這直接導(dǎo)致了其室溫脆性，成為非晶合金的瓶頸問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)塊體非晶合金的加工硬化行為，被認(rèn)為是非晶合金乃至所有無(wú)定型材料領(lǐng)域的核心科學(xué)問(wèn)題。

據(jù)介紹，研究表明，塊體非晶合金的加工硬化是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少（更馳豫狀態(tài)），由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。這與晶體材料的傳統(tǒng)加工硬化過(guò)程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化機(jī)制。此研究顛覆了人們對(duì)非晶態(tài)材料形變軟化行為的固有認(rèn)識(shí)，為開(kāi)發(fā)具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業(yè)應(yīng)用提供了新思路和方向。   

據(jù)悉，研究人員首先通過(guò)三維壓應(yīng)力的方法使塊體非晶合金產(chǎn)生大范圍、高程度的回春，開(kāi)發(fā)出最高能量狀態(tài)相當(dāng)于冷速為1010K/s的非晶合金（Nature Communications 2018）。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)單軸拉伸或壓縮測(cè)試發(fā)現(xiàn)：高能量狀態(tài)（回春態(tài)）的塊體非晶合金在變形時(shí)表現(xiàn)出加工硬化現(xiàn)象和優(yōu)異的塑性變形能力。在加工硬化階段，觀察不到任何剪切帶，表明合金發(fā)生了均勻流變，這完全不同于傳統(tǒng)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(yuǎn)高于任何常見(jiàn)的晶體金屬體系。對(duì)比回春態(tài)和傳統(tǒng)鑄態(tài)塊體非晶合金在變形前后的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，回春態(tài)非晶合金在加工硬化過(guò)程中硬度明顯上升，但能量顯著降低。非晶合金的徑向分布函數(shù)結(jié)果表明加工硬化后回春態(tài)塊體非晶合金的結(jié)構(gòu)更加有序化（密度增加），與傳統(tǒng)鑄態(tài)非晶合金形變軟化和能量升高的變形過(guò)程完全相反。

(a) 利用三維壓應(yīng)力的方法使塊體非晶合金產(chǎn)生大范圍、高程度的回春，獲得高能態(tài)的塊體非晶合金；(b) 回春態(tài)塊體非晶合金在單軸壓縮時(shí)的加載-卸載-再加載曲線和真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

變形過(guò)程中塊體非晶合金的能量狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化。(a) 回春態(tài)非晶合金在變形前后的DSC曲線和馳豫焓；鑄態(tài)和回春態(tài)非晶合金的(b)歸一化硬度，(c)馳豫焓，以及(d)主衍射環(huán)位置q1與塑性變形量間的關(guān)系?；卮簯B(tài)非晶合金在最初變形階段（<5%）表現(xiàn)出顯著的加工硬化，伴隨著硬度升高和能量的降低，以及結(jié)構(gòu)的有序化。這完全不同于傳統(tǒng)鑄態(tài)非晶合金應(yīng)變軟化并伴隨能量增加過(guò)程。

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