背景介紹

非晶合金因其無序的原子結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能(如高強(qiáng)度和高彈性極限等)，但其在室溫下的拉伸塑性非常有限，為準(zhǔn)脆性材料，這極大地限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。近年來，研究者們致力于通過引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)來調(diào)控非晶合金的剪切帶行為以提高其宏觀塑性變形能力。離子輻照被認(rèn)為是一種可通過誘導(dǎo)梯度結(jié)構(gòu)來改善非晶合金的塑性的有效方法，這種結(jié)構(gòu)通過改變自由體積分布進(jìn)而有效阻礙剪切帶的傳播并促進(jìn)大量細(xì)小剪切帶的形成和分支，從而顯著提高材料的塑性。

基于上述背景，為進(jìn)一步探究離子輻照對非晶微絲的結(jié)構(gòu)調(diào)控及力學(xué)行為影響機(jī)制，哈爾濱工業(yè)大學(xué)寧志良教授和黃永江教授團(tuán)隊與韓國首爾國立大學(xué)Eun Soo Park教授、奧地利科學(xué)院Daniel Sopu博士、上海大學(xué)黃波副研究員合作，以Cu48Zr48Al4非晶微絲為模型材料，對非晶微絲進(jìn)行不同劑量的離子輻照，系統(tǒng)探究了離子輻照處理對非晶微絲宏觀拉伸力學(xué)行為的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，離子輻照誘導(dǎo)非晶微絲表面產(chǎn)生了約1.76 μm的非線性自由體積梯度結(jié)構(gòu)，顯著提高了其宏觀拉伸塑性(達(dá)2.97%)。相關(guān)論文以題為“Tensile plasticity in amorphous microwires: The role of ion irradiation-induced gradient rejuvenation”刊登在國際頂級期刊International Journal of Plasticity上。

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104371

非晶合金微絲的制備。熔體抽拉工藝制備非晶合金微絲示意圖

非晶合金微絲結(jié)構(gòu)表征與模擬。(a) 制備態(tài)及離子輻照非晶微絲X射線衍射圖譜。(b) H+離子輻照后非晶微絲表層空位分布。

非晶微絲的同步輻射X射線nano-CT測試。(a) nano-CT檢測和重建三維結(jié)構(gòu)成像原理；(b) 在制備態(tài)和離子輻照后三維重建樣品及表面區(qū)域的二維結(jié)構(gòu)灰度圖；(c) 圖(b)中虛線處灰度平均值；(d) 根據(jù)nano-CT結(jié)果計算的局域密度值。

離子輻照態(tài)非晶微絲的有序度分析。(a)類晶體序和(b)類液體序的高分辨透射電鏡(HRTEM)自相關(guān)圖像及其相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)模式。(c)從表面到內(nèi)部的有序度和局部密度。HRTEM圖像中的紅色矩形反映類晶體序，黃色星形的位置反映有序度，藍(lán)色線反映距離微絲表面各深度的局部密度。(d)有序度與局部密度的定量關(guān)系。

非晶微絲的納米壓痕測試。(a)測試位置示意圖。(b)非晶微絲橫截面納米壓痕點的掃描電鏡(SEM)圖像。(c) (b)中黃色矩形納米壓痕的放大圖像。(d)不同位置納米硬度值。插圖為不同離子劑量輻照前后非晶微絲內(nèi)部和表面納米硬度的變化趨勢。(e)不同位置模量值。插圖為不同離子劑量輻照前后非晶微絲內(nèi)部和表面模量的變化趨勢。

非晶微絲最大剪切應(yīng)力的統(tǒng)計分布。(a)內(nèi)部區(qū)域和(b)表面區(qū)域的第一次位移突進(jìn)(pop-in)事件最大剪切應(yīng)力的變化。(c)內(nèi)部區(qū)域和(d)表面區(qū)域最大剪切應(yīng)力的累積概率分布。(e)內(nèi)部區(qū)域和(f)表面區(qū)域的最大剪應(yīng)力的值與ln[ln(1-f)-1](f為累積概率分布函數(shù))的統(tǒng)計擬合。

非晶微絲的激活體積與剪切轉(zhuǎn)變區(qū)(STZ)計算值。(a)內(nèi)部區(qū)域和(b)表面區(qū)域的激活體積范圍。(c)內(nèi)部和表面區(qū)域第一個pop-in的激活體積，不同非晶微絲樣品的STZ體積，以及一個STZ內(nèi)的原子數(shù)。

非晶微絲表面2 μm深度內(nèi)的納米力學(xué)性能變化。(a)納米硬度。(b)模量。

制備態(tài)和離子輻照后非晶微絲的宏觀拉伸力學(xué)行為。(a)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)不同斷裂應(yīng)力值的非晶微絲斷裂面SEM圖像。(c)斷裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性應(yīng)變隨剪切偏移區(qū)面積的變化趨勢。(d)斷口側(cè)面的SEM圖像。

制備態(tài)(上)和輻照態(tài)(下)非晶微絲的塑性變形過程。(a)彈性變形階段。(b)屈服階段。(c)塑性變形階段。(d) (c)中紅色矩形的放大圖，顯示了剪切帶在2 μm厚度的表層內(nèi)的傳播。

全文總結(jié)

本研究通過離子輻照在非晶微絲表面引入了厚度約為1.76 μm的非線性自由體積梯度結(jié)構(gòu)，顯著提高了其拉伸塑性，同時保持了較高的屈服強(qiáng)度。具體結(jié)論如下：

• 力學(xué)性能提升：非晶微絲的拉伸塑性從制備態(tài)的0%提高到離子輻照態(tài)的2.97%，此外，離子輻照態(tài)微絲的屈服強(qiáng)度最高達(dá)1680 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)1751 MPa。這表明，通過離子輻照誘導(dǎo)的梯度非晶化結(jié)構(gòu)可在不顯著降低強(qiáng)度的情況下，大幅度提高其宏觀拉伸塑性。

• 表面軟化效應(yīng)：離子輻照導(dǎo)致非晶微絲表面區(qū)域出現(xiàn)軟化效應(yīng)，自由體積增加，導(dǎo)致STZ更易于激活，從而促進(jìn)了大量細(xì)小剪切帶的形成和分支。這種結(jié)構(gòu)變化使得非晶微絲表現(xiàn)出高的拉伸塑性變形能力。

• 剪切帶動力學(xué)調(diào)控：非線性梯度非晶化結(jié)構(gòu)中的自由體積梯度界面顯著阻礙了主剪切帶的快速傳播，同時細(xì)小剪切帶在梯度層內(nèi)發(fā)生多次偏轉(zhuǎn)和相互作用，進(jìn)一步提高了宏觀拉伸塑性。

• 殘余應(yīng)力的影響：離子輻照導(dǎo)致非晶微絲內(nèi)部形成梯度殘余應(yīng)力，顯著提高了原子遷移率，從而增強(qiáng)了宏觀塑性變形能力。

本研究不僅揭示了具有離子輻照誘導(dǎo)的梯度結(jié)構(gòu)的非晶微絲拉伸變形機(jī)制，亦為通過精確設(shè)計和調(diào)控表面梯度結(jié)構(gòu)來優(yōu)化非晶合金的力學(xué)性能提供了新思路，為開發(fā)新一代高性能金屬材料提供了重要的理論依據(jù)。

第一通訊單位作者簡介

第一作者：蘇爽，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生，韓國首爾國立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生。主要從事非晶合金及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能調(diào)控和增材制造研究。以第一及共同作者在Acta Materialia，International Journal of Plasticity, Journal of Materials Science & Technology，Virtual and Physical Prototyping，Composites Part B: Engineering等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI收錄論文10余篇，谷歌學(xué)術(shù)引用280余次。參與國家自然科學(xué)基金面上項目的研究工作，擔(dān)任Journal of Materials Research and Technology等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊審稿人。

通訊作者：寧志良，教授，博士生導(dǎo)師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國家級重點實驗室教師。先后主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項目、國家部委基金項目、科技部國際合作項目、黑龍江省科技攻關(guān)重點項目。獲得省部級科技進(jìn)步二等獎三項，發(fā)表論文140余篇，其中SCI收錄80余篇，申報國家發(fā)明專利70余項，授權(quán)40項。

通訊作者：黃永江，教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，英國皇家學(xué)會牛頓學(xué)者，黑龍江省高層次人才，中國金屬學(xué)會非晶合金分會委員，中國熱處理行業(yè)協(xié)會汽車鋼分會副理事長。主要從事新型航天金屬材料的增材/增減材智能制造、亞穩(wěn)金屬材料(包括非晶合金及其復(fù)合材料、輕合金、高熵合金等）、液態(tài)金屬等方向研究工作。獲黑龍江省科技進(jìn)步二等獎一項，黑龍江省自然科學(xué)二等獎一項，黑龍江省高校自然科學(xué)一等獎和二等獎各一項。在Advanced Materials，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Additive Manufacturing，Materials Future，Corrosion Science等國際著名學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表SCI收錄論文230余篇，被Science等權(quán)威雜志引用6230次（單篇最高SCI引用290余次），ESI高被引3篇，1篇論文入選中國知網(wǎng)高影響力論文，1篇論文入選Rare Metals雜志年度最佳論文，1篇論文入選Journal of Materials Science & Technology封面論文，H因子40，申請國家發(fā)明專利82項，授權(quán)55項，擔(dān)任6個國際期刊編委/青年編委。

本文來自材料科學(xué)與工程公眾號，感謝論文作者團(tuán)隊支持。

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