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块体非晶合金的加工硬化行为

信息来源:SYNL更新时间:2021-03-05阅读:251

         加工硬化,即材料随变形量的增加而增强的力学行为,它反映材料在均匀塑性变形区抵抗进一步变形的能力,是工程材料力学行为最重要的现象,也是金属作为结构材料广泛应用的重要依据。非晶合金,也称金属玻璃,在最近的几十年中一直是先进金属材料领域的研究重点。尽管非晶合金具有许多优异的机械性能(高屈服应力,高韧性和破纪录的“损伤容忍度”),但其致命弱点却是缺乏加工硬化。与传统晶体材料不同,它们的变形一直认为是剪切带主导的非均匀变形,应变软化而非加工硬化一直被认为是它们的本征变形机制。这直接导致了其形变的高度局域化和室温脆性,成为非晶合金的致命弱点和瓶颈问题。

        我们首先通过三维压应力的方法使块体非晶合金产生大范围、高程度的回春,开发出最高能量状态可堪比冷速为1010 K/s的新型非晶合金(Nature Communications 2018)。基于该回春态非晶合金,首次实现了块体非晶合金在单轴拉伸/压缩时的加工硬化(图1)。非晶合金的硬化速率远高于任何常见的晶体金属体系。在加工硬化阶段,试样表面观察不到任何剪切带,表明此阶段是均匀流变过程,这完全不同于传统非晶合金依靠剪切带的变形行为。对比回春态和传统铸态块体非晶合金在变形前后的结构和能量状态变化时发现,回春态非晶合金在加工硬化过程中硬度和能量显著降低,并伴随着结构的有序化,与传统铸态非晶合金形变软化和能量升高的变形过程完全相反。这一研究结果不仅打破了对非晶态材料形变软化的固有认识,也为自1934以来G.I. Taylor提出的材料形变理论增添了新内容。该研究结果发表在2020年Nature上。

图1.(a) 利用三维压应力的方法使块体非晶合金产生大范围、高程度的回春,获得高能态的块体非晶合金;(b) 回春态块体非晶合金在单轴压缩时的加载-卸载-再加载曲线和真实应力-应变曲线(插图)。