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    块体非晶合金系列进展引起国内外同行瞩目

    日期 2007-08-21   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:在国家自然科学基金创新研究群体项目资助下,中国科学院物理研究所汪卫华小组最近一段时间里在块体非晶合金塑性行为及机理方面的一系列研究进展颇令国内外同行瞩目。他们先后在《物理评论快报》、《科学》上连续发表有创意并引人深思的工作成果。这些成果的发表或被《化学与工程新闻》、《本周科学》等科技网站报道或成为期刊封面内容,或被专题评论,引起了广泛的兴趣。

      长期以来,探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标。但是由于变形机制的限制,在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到结构长程无序的非晶状态时,在室温下,其强度远远高于同成分的晶态金属合金,但是其塑性变形能力几乎完全丧失。其主要原因是非晶合金中没有位错等缺陷,塑性应变主要通过高度局域化并软化的剪切带来承担,这导致非晶材料宏观上呈脆性断裂行为,这严重制约了其作为高强度工程材料的广泛应用。

      中国科学院物理研究所汪卫华研究组近来在非晶态合金材料的塑性变形方面开展了一系列研究工作,澄清了脆性材料断裂中的一些重要科学问题,深化了对非晶态等脆性材料的断裂机制的认识,并在此基础上提出了切变唯像模型,利用泊松比有效地标定了大部分大块非晶合金的室温塑性,为改进非晶材料的脆性,设计新的具有大塑性、高强度的金属玻璃材料提供了必要的理论依据。并在此基础上首先开发出了具有较大塑性的铜锆基单相非晶合金材料。

      最近,汪卫华研究组在非晶合金的塑性研究中再次取得重要进展。利用常用的锆、铜、镍和铝金属元素, 根据自己提出的模量判据,采用快速凝固方法,制备出在室温条件下具有超高压缩塑性的非晶合金。与以往的非晶合金不同,这种新研制的材料不但具有很高强度,而且在室温下的压缩塑性变形能力也非常好,可以像常见的纯铜、纯铝一样弯曲或变形成一定的形状。进一步的分析表明,这种非晶合金具有一种特殊的微观结构,正是这种特殊的结构使其具有优异的塑性。该材料的出现对传统的非晶变形理论和认识提出了挑战。

      人们通常认为高度局域化并软化的剪切带是非晶合金材料脆性的原因。而这项工作表明通过合适的成分和结构调制,可以有效控制剪切带的形成、运动和扩展,从而有效改善非晶合金的塑性,而且不影响非晶合金高强度的特点。在物理上证明高强度和大塑性(结构材料最重要的两个性质)在非晶材料中可以有机地结合在一起;与此同时,他们还提出了探索塑性大块非晶材料的新方法:由于非晶合金的塑性对成分很敏感,而这种成分敏感性可用泊松比来有效地表征,所以可利用材料成分随泊松比的变化规律来探索出具有大塑性的非晶材料。这样的新思路为探索同时具有高强度和大塑性的金属非晶合金材料提供了新途径,对于理解非晶材料的塑性变形机理、解决非晶合金材料的脆性难题具有重要学术价值。该材料的组元均是价格较为低廉的常见金属,结合其优良的性能,使得该非晶合金材料有望得到广泛的实际应用。相关工作成果发表在2007年3月9日出版的《科学》上。

      更进一步的工作表明,在一些脆性非晶合金中,断面会形成非常规则、反常的具有纳米周期条纹结构(~80nm)。这种纳米周期条纹沿裂纹的扩展方向,受断裂条件和材料本身(如裂纹扩展速度,材料韧性等)的影响。观察发现这些纳米条纹结构是峰对峰,谷对谷,而不是峰对谷的咬合结构,这表明该脆性材料具有和其它不同韧性的金属玻璃相似的局域软化断裂机制,其断裂在微观上是塑性断裂过程。对裂纹前端塑性变形区的大小和温升的计算表明,脆性非晶合金在断裂瞬间由于出现升温导致裂纹尖端的局域软化和塑性变形,并在此基础上,建立了产生这些纳米周期条纹的唯象模型。研究还发现,裂纹前端的塑性区对裂纹尖端半月板的非稳定性限制导致了韧窝结构或周期性条纹的形成。

      该研究结果有助于在更微观层次深入理解脆性材料的断裂机制,阐明脆性材料断裂过程中的一些重要科学问题,为有效提高金属非晶材料的结构可靠性提供了纳米尺度上的理论依据。相关工作成果发表在2007年6月8日出版的《物理评论快报》上。




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