相比于傳統(tǒng)的晶態(tài)金屬材料，非晶合金具有獨(dú)特的物理和力學(xué)性能。但是，非晶態(tài)是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)無序體系，在能量上處于亞穩(wěn)態(tài)。通常條件下，非晶合金會發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫（Aging），這種時效作用使非晶合金的物理和力學(xué)性能都發(fā)生改變，如變脆、老化，這大大限制了非晶合金的大規(guī)模應(yīng)用。如何克服非晶材料的弛豫、老化，一直是非晶材料面臨的瓶頸問題。近年來，國內(nèi)外研究組試圖通過表面噴丸、強(qiáng)變形和離子輻照等處理工藝，來解決非晶合金的老化問題。這些方法都能發(fā)揮一定的恢復(fù)（rejuvenation）作用，使非晶的某些性能如塑性變形得到不同程度的提高。例如，中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究組和劍橋合作的表面噴丸方法可大大提高非晶合金的塑性【Nature Mater 5, 857-860 （2006）】； 他們發(fā)展的一種簡單室溫纏繞法可以方便、有效地調(diào)制非晶中的流動單元濃度，實現(xiàn)非晶合金中的室溫塑性變形【Phys. Rev. Lett. 113, 045501 （2014）。】。但是，噴丸和離子輻照只能影響非晶合金表面的性能，強(qiáng)變形會引入大量的剪切帶，這些方法無論是可操作性還是工藝成本，都限制了其工業(yè)化應(yīng)用。

 

    近年來，通過實驗和計算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，在非晶合金中存在一些納米尺度的類似于液體的區(qū)域。和周圍區(qū)域相比，類液體區(qū)域表現(xiàn)出較低的原子堆積密度，較低硬度和模量，較高的能態(tài)，容易剪切變形和容易流動等特性。結(jié)合這些研究結(jié)果，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）汪衛(wèi)華研究組提出了流動單元（flow units）模型來理解和解釋非晶態(tài)物質(zhì)的物理和力學(xué)問題，認(rèn)為非晶合金中的流動單元類似晶態(tài)材料中的缺陷，其濃度、尺寸和能量的分布決定非晶合金的力學(xué)等性能，老化及其他特性，通過調(diào)控非晶合金中的流動單元，可以有效地提高和改進(jìn)非晶合金的力學(xué)等性能。這些工作對非晶合金性能及老化行為的調(diào)控及改性有一定的指導(dǎo)作用。

 

    最近，該研究組研究員汪衛(wèi)華、白海洋和博士研究生魯振與劍橋大學(xué)教授A. L. Greer領(lǐng)導(dǎo)的研究組，以及日本東北大學(xué)D. V. Louzguine-Luzgin 領(lǐng)導(dǎo)的研究組合作，發(fā)展了一種簡單的非晶合金材料熱循環(huán)處理工藝。該工藝將非晶合金在液氮或者液氦中浸泡幾分鐘，然后快速升溫至室溫并保持幾分鐘，如此多次循環(huán)。經(jīng)過數(shù)十次循環(huán)之后發(fā)現(xiàn)，非晶合金整體能量升高，表現(xiàn)為非晶合金微分掃描量熱（DSC）曲線晶化前結(jié)構(gòu)弛豫放熱峰得到明顯的增強(qiáng)。通過力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)之后合金的硬度有明顯降低；通過力學(xué)實驗機(jī)壓縮測量，熱循環(huán)之后，合金的壓縮塑性增加到7%以上，且表面剪切帶的數(shù)量增加。通過動態(tài)力學(xué)測試儀（DMA）測量動態(tài)加載情況下非晶合金的損耗模量發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)之后損耗峰的位置向低溫區(qū)移動，且強(qiáng)度提高。這些結(jié)果都表明，經(jīng)過熱循環(huán)處理之后流變單元的數(shù)量顯著增加，非晶合金的結(jié)構(gòu)更加不均勻，使合金發(fā)生恢復(fù)效應(yīng)，即經(jīng)過處理的非晶合金抗老化能力大大增強(qiáng)。非晶合金抗老化能力增強(qiáng)的表現(xiàn)之一就是使得非晶在受力條件下，更多的流變單元能演化成剪切帶，形變中更容易產(chǎn)生剪切帶。非晶的宏觀塑性形變主要由剪切帶的數(shù)目決定，這樣可大大提高非晶合金的宏觀塑性。

 

    圖1：非晶合金熱循環(huán)示意圖。循環(huán)溫度均低于β弛豫峰溫度，經(jīng)過循環(huán)處理之后，合金內(nèi)部flow units含量升高。

 

    圖2：熱循環(huán)處理前后DSC曲線圖。通過熱處理之后，非晶合金發(fā)生恢復(fù)現(xiàn)象，且與循環(huán)次數(shù)相關(guān)。

 

    圖3：通過熱循環(huán)處理之后，樣品的屈服強(qiáng)度和硬度明顯地降低。

 

    圖4：熱循環(huán)之后，樣品的壓縮塑性得到提升。

 

    冷熱循環(huán)抗非晶合金老化方法和離子輻照、表面噴丸、強(qiáng)變形等方法相比，具有非破壞、不改變形狀、不限制樣品尺寸、不產(chǎn)生剪切帶等特性，更重要的是在工業(yè)上易于實現(xiàn)。通過這些方法，可以有效地提高非晶合金的機(jī)械性能并且降低工藝處理成本，對非晶合金的工業(yè)化生產(chǎn)以及商業(yè)化應(yīng)用可起到重要推動作用。

 

    相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature,524,200–203（2015）上。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、“973”項目和中國科學(xué)院的支持。