华中科技大学郭威副教授团队：锆基金属玻璃在深冷循环处理中的回春行为调控 | TNMSC重点推荐文章

     2024年04月03日

研究背景

非晶合金由于制备过程中的冷速较高，造成其处于亚稳能量状态。在一定的温度与时间下，非晶合金的结构会逐步向晶体转变，造成弛豫与晶化现象。非晶合金的弛豫会严重劣化其性能，造成断裂韧性下降，影响了非晶合金的应用。近年来研究发现，通过热学或力学手段，可以将铸态/弛豫态的非晶合金能量提高到更加亚稳的高能量状态，这一逆弛豫过程被称为回春/年轻化。在诸多热回春手段中，深冷循环是一种新型的较易实现的热回春方法，其将非晶合金在低温（77K）与室温间进行加热/冷却循环，基于非晶合金本征不均匀性引入局域应力，促使局域原子发生重排，产生回春效果。本文针对一种Zr基非晶合金，通过控制冷却/加热的循环圈数，系统研究了深冷循环过程中的微观结构与力学性能的演化规律，为基于深冷循环调控非晶合金能量状态与力学性能提供了理论基础与实践经验。

文章亮点

揭示了深冷循环圈数对回春程度、力学性能的影响规律，阐明了一定圈数后回春程度饱和的内在机制，建立了回春程度与力学性能间的数值联系，为后续非晶合金热回春的研究提供了理论基础与实践经验。

图文解析

利用自主研发的深冷循环装置对Zr₅₅Cu₃₀Al₅Ni₁₀（at.%）非晶合金进行了5-60圈的循环热处理。图1为不同循环圈数下样品的高分辨TEM照片，可以看出，所有样品在热处理后均未晶化或产生局域纳米团簇，保持了纯非晶的无序原子排布状态。

图1 不同循环圈数下样品的高分辨TEM照片：(a)循环5圈；(b)循环10圈；(c)循环20圈；（d）循环60圈 

 

图2是不同循环圈数下样品弛豫焓与约化自由体积的变化规律，可以看出，弛豫焓与约化自由体积随循环圈数的增大先增大后趋于饱和，在循环200圈后不再发生明显变化。上述特征值与样品的回春程度密切相关，上述结果说明样品的回春程度有一饱和值，深冷循环不能无休止的对非晶样品进行回春。

图2 不同循环圈数下样品（a）弛豫焓；（b）约化自由体积的变化规律。右纵轴为对应左纵轴数据的斜率

 

针对具有不同回春程度样品进行了力学性能测试，结果如图3所示。可以看出，随着回春程度的提高，样品的屈服强度逐渐下降，塑性变形能力逐渐上升，这与样品中自由体积的增加有关。我们计算了不同样品的剪切平面形成能垒，发现回春程度提高带来的自由体积增加可显著降低剪切平面的形成能垒，促进多重剪切带的形成，提高样品的塑性应变。我们进一步计算了不同样品的剪切转变区体积，如图4所示，发现随着约化自由体积的增加，塑性形变量与剪切转变区同步增大，说明非晶合金的回春会增大形变过程中的剪切转变区，使得剪切带形成时所需的剪切转变区数量降低，有利于剪切带的萌生，可进一步提高非晶合金的塑性形变能力。

图3 不同循环圈数下非晶合金的室温压缩应力-应变曲线

图4 不同循环圈数下非晶合金塑性应变量、剪切转变区尺寸与约化自由体积的关系

 

如图5所示，通过分子动力学仿真可知，Zr基非晶合金的原子体积随冷却速度的升高先升高后出现饱和现象，而冷速的提高与非晶合金的回春具有相同的物理意义，因此可通过上述结果推断非晶合金的能量状态存在某一极限值，无论如何提高冷速，都无法持续提升非晶合金的能量状态。同时，仿真结果也说明，回春造成原子体积增大时，合金的剪切模量降低，这与实验结果中回春后样品塑性提升的现象相一致。

图5 基于分子动力学仿真获得的（a）不同冷速下非晶合金原子体积的变化规律；（b）剪切模量随原子体积的变化规律

 

研究结论

 

（1）随着深冷循环圈数的提高，锆基非晶合金的回春程度也随之提高，其弛豫焓提升、密度下降。回春后的样品硬度降低，塑性形变能力提高，这与回春引入的更多的自由体积相关，形成了更松散的原子堆垛结构。

（2） 随着自由体积的升高，形变过程中的剪切平面形成能垒降低，剪切转变区体积增大，这更有利于多重剪切带的形成，促进样品室温塑性的进一步提高。

（3） 回春程度会随着循环圈数的提高先升高，后趋于饱和，这与非晶结构中可容纳的最大自由体积含量有关。

（4）分子动力学模拟结果表明，回春程度越高的样品，其原子体积更大，最终随回春程度持续升高而趋于饱和，这与实验结果相互印证。

 

团队介绍

郭威，现任华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室、材料科学与工程学院副研究员，入选湖北省第九批“百人计划”特聘专家，两次入选湖北省“科技副总”计划，兼任湖北省复合材料学会常务理事，湖北省机械工程学会铸造专委会副秘书长，中国铸造协会模具分会副秘书长。主持国家自然科学基金、华中科技大学人才引进基金、湖北省自然科学基金、广东省基础与应用基础基金等科研项目近十项，参与国家强基工程项目、湖北省技术创新重大项目等科研项目近十项。本科毕业于上海交通大学，师从袁广银教授。硕士及博士毕业于日本东北大学（Tohoku University），师从Hidemi Kato教授。毕业后继续在日本东北大学从事助理研究员的工作，合作导师为Junji Saida教授。2017年10月入职现职。至今在Materials & Design，Journal of Alloys and Compounds，Intermetallics等国内外学术期刊发表SCI论文近五十余篇，他引近千次，其中包括Nature, Science Advances, International Materials Reviews，Progress in Materials Science等国际知名杂志。以唯一作者发表英文专著一章，授权国内专利近十项。参加国内外学术会议近30次，包括MRS-meeting，ISMANAM，RQ等国际知名材料及非晶领域学会。获得湖北省科技进步二等奖一项（排名第二），第九届环太平洋先进材料与工艺国际会议（PRICM9），日本材料学会第二届材料大会、2018年湖北省铸造学会年会、2021年先进镁合金青年科学家论坛等多个国内外优秀青年科学家及论文奖项。担任《中国有色金属学报》（中英文版）青年编委，《粉末冶金材料科学与工程》青年编委，《Materials》客座编辑，《Advances in Materials》编委等职。

赵觅，华中科技大学航空航天学院副教授，湖北省机械工程学会铸造专业委员会理事，入选日本学术振兴会（JSPS）特别研究员。主要从事高温材料、金属基复合材料、非晶与高熵合金方面的研究。主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、国家重点实验室开放基金等科研项目近十项，参与国家重点研发计划、国家磁约束核聚变能发展研究专项等。以第一/通讯作者在《Acta Materialia》《Scripta Materialia》《Corrosion Science》等期刊上发表论文二十余篇，授权国家发明专利近十项。获得中国材料研究学会、日本金属学会优秀论文、优秀报告等多项奖励。担任《Materials》客座编辑，《粉末冶金材料科学与工程》特聘编委，《MRL》《Corrosion Communication》《China Foundry》《稀有金属》等期刊青年编委。

 

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