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塊體非晶合金的加工硬化行為


加工硬化,即材料隨變形量的增加而增強的力學行為,它反映材料在均勻塑性變形區抵抗進一步變形的能力,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,在最近的幾十年中一直是先進金屬材料領域的研究重點。盡管非晶合金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”),但其致命弱點卻是缺乏加工硬化。與傳統晶體材料不同,它們的變形一直認為是剪切帶主導的非均勻變形,應變軟化而非加工硬化一直被認為是它們的本征變形機制。這直接導致了其形變的高度局域化和室溫脆性,成為非晶合金的致命弱點和瓶頸問題。

我們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可堪比冷速為1010 K/s的新型非晶合金(Nature Communications 2018)。基于該回春態非晶合金,首次實現了塊體非晶合金在單軸拉伸/壓縮時的加工硬化(圖1)。非晶合金的硬化速率遠高于任何常見的晶體金屬體系。在加工硬化階段,試樣表面觀察不到任何剪切帶,表明此階段是均勻流變過程,這完全不同于傳統非晶合金依靠剪切帶的變形行為。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和能量顯著降低,并伴隨著結構的有序化,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。這一研究結果不僅打破了對非晶態材料形變軟化的固有認識,也為自1934以來G.I. Taylor提出的材料形變理論增添了新內容。該研究結果發表在2020年Nature上。

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)。

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