眾所周知，非晶合金是一種亞穩(wěn)態(tài)材料，在不同制備條件下具有不同的能量狀態(tài)。由高能量向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程稱為結構弛豫（relaxation）；而由低能量向高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程稱為 “回春”（rejuvenation）。非晶合金在常規(guī)條件下會發(fā)生結構弛豫，伴隨著結構和性能的改變。但如何最大程度地實現(xiàn)非晶合金回春，目前仍是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。研究非晶合金的回春現(xiàn)象，對于認識非晶的微觀結構和原子排列，理解其變形行為和機制以及提高其性能都具有重要意義。

    近日，金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室非平衡金屬材料研究部李毅研究員、潘杰博士、王寅霄博士與上海交通大學張荻教授、郭強教授以及英國劍橋大學Greer教授合作，通過室溫均勻塑性變形的方法實現(xiàn)非晶合金高度回春，得到等效于冷速高達1010 K/s的非晶合金。

    非晶合金回春的方法之一是通過對材料塑性變形實現(xiàn)的。但是以往的研究表明，由于非晶合金塑性變形的非均勻性，其應變高度局限于狹窄剪切帶內(nèi)，使其回春程度非常低。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過引入三維應力狀態(tài)能有效抑制剪切變形，可實現(xiàn)非晶合金在室溫壓縮條件下產(chǎn)生均勻變形。對變形后試樣的硬度和熱力學行為分析發(fā)現(xiàn)：非晶合金在大尺寸（毫米級）范圍內(nèi)發(fā)生劇烈的軟化和回春，伴隨著自由體積增加和結構的無序化。變形后非晶合金的最高軟化可達36%，弛豫焓高達3.42 kJ/mol。其能量狀態(tài)等同于冷卻速度為1010 K/s的非晶合金，是目前文獻報道中最高的。此外，通過此方法儲存的變形能接近30%，是傳統(tǒng)單軸壓縮方法的3倍。

    非晶合金變形過程中的結構變化可視為剪切導致自由體積產(chǎn)生，以及擴散導致自由體積湮滅兩種機制競爭的過程?；谧杂审w積模型對三維應力狀態(tài)的變形行為深入分析發(fā)現(xiàn)，非晶合金在三維應力下表現(xiàn)出顯著的拉壓不對稱性。三維拉應力有利于自由體積的湮滅：在某一臨界應力時自由體積產(chǎn)生速率低于湮滅速率從而發(fā)生加工硬化和致密化（Physical Review Letters 111 （2013） 135504）。而三維壓應力抑制原子擴散，自由體積產(chǎn)生的速率總是大于湮滅速率。同時由于剪切應力低于剪切帶產(chǎn)生的臨界應力，從而有效避免應變局域化。非晶合金在變形過程中自由體積持續(xù)穩(wěn)步增加，最終產(chǎn)生劇烈的回春和軟化。本研究成果不僅豐富了非晶合金的室溫變形理論，也為深入認識非晶合金的原子結構以及改變其性能奠定基礎。

    該研究得到了國家自然科學基金委項目等項目資助，于2月8日在Nature Communications上在線發(fā)表（Nature Communications, 9, 560 （2018））。

    https://www.nature.com/articles/s41467-018-02943-4

    圖1：非晶合金在三維壓應力下形變量為40%時的硬度分布

    圖2：非晶合金在均勻壓縮變形后弛豫焓的變化規(guī)律（a,b），以及非晶合金各種回春方法的等效冷速（c）