【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】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。它是工程材料力學(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(chēng)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。
 

　　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)研究部研究員李毅(通訊作者)、副研究員潘杰(第一作者)和博士生周維華與英國(guó)劍橋大學(xué)材料系教授A.L. Greer(通訊作者)、博士Y. P. Ivanov合作，首次在塊體非晶態(tài)材料中實(shí)現(xiàn)加工硬化，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。相關(guān)成果于2月26日在《自然》(Nature)發(fā)表。
 

　　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。
 

　　晶體金屬加工硬化的原理是變形過(guò)程中位錯(cuò)增殖和相互作用阻礙了彼此的運(yùn)動(dòng)，這一微觀機(jī)制最早由G. I. Taylor在1934年提出。雖然微觀結(jié)構(gòu)等其他因素也會(huì)影響材料的加工硬化行為，但其最基本原理沒(méi)有改變，仍然是缺陷增殖，并導(dǎo)致材料能量增加的過(guò)程。然而，此次研究結(jié)果表明，塊體非晶合金的加工硬化卻是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少(更馳豫狀態(tài))，是一個(gè)由高能態(tài)向低能態(tài)的轉(zhuǎn)變過(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。此研究不僅是八十五年來(lái)對(duì)材料加工硬化機(jī)理的重新認(rèn)識(shí)，也為非晶態(tài)材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。