科學(xué)家研究出解決非晶合金材料老化難題的新方法

文章來(lái)源：物理研究所    發(fā)布時(shí)間：2015-08-18  

　　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(wú)序體系，在能量上處于亞穩(wěn)態(tài)。通常條件下，非晶合金會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫（Aging），這種時(shí)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(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究組試圖通過(guò)表面噴丸、強(qiáng)變形和離子輻照等處理工藝，來(lái)解決非晶合金的老化問(wèn)題。這些方法都能發(fā)揮一定的恢復(fù)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(guó)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；他們發(fā)展的一種簡(jiǎn)單室溫纏繞法可以方便、有效地調(diào)制非晶中的流動(dòng)單元濃度，實(shí)現(xiàn)非晶合金中的室溫塑性變形。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(huì)引入大量的剪切帶，這些方法無(wú)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(lái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)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(dòng)等特性。結(jié)合這些研究結(jié)果，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室汪衛(wèi)華研究組提出了流動(dòng)單元模型來(lái)理解和解釋非晶態(tài)物質(zhì)的物理和力學(xué)問(wèn)題，認(rèn)為非晶合金中的流動(dòng)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(guò)調(diào)控非晶合金中的流動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(guò)力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)之后合金的硬度有明顯降低；通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)壓縮測(cè)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(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試儀（DMA）測(cè)量動(dòng)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(dòng)，且強(qiáng)度提高。這些結(jié)果都表明，經(jīng)過(guò)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(guò)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。

　　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(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(duì)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(dòng)作用。

   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(guò)循環(huán)處理之后，合金內(nèi)部flow units含量升高。