塊體非晶合金因其獨特的原子排列特征而具有許多優(yōu)異的力學性能，如高的強度、硬度、以及彈性極限等，成為近年來材料領域的研究熱點之一。但由于非晶合金在變形過程存在的室溫脆性與應變軟化等問題，極大地制約了其作為結構材料的廣泛應用。因此，深入理解非晶合金本征韌脆性的根源，并以此為基礎開發(fā)兼具有高強高韌性能的塊體非晶合金就具有重要的意義。針對這一關鍵問題，目前人們主要還是通過材料的泊松比等物理量來對非晶合金的本征韌脆性進行描述。即泊松比值大于0.31-0.32這一臨界值的CuZr基、Pd基、Pt基等非晶合金表現(xiàn)為相對韌性，而低于這一臨界值的Mg基、Fe基等非晶合金表現(xiàn)為明顯的脆性。但是，隨著研究的不斷深入，這一經(jīng)驗規(guī)律的普適性越來越受到挑戰(zhàn)，如Au基非晶合金的泊松比高達0.40，但卻表現(xiàn)為明顯的脆性。
最近，中國科學院磁性材料與器件重點實驗室（寧波材料技術與工程研究所）非晶軟磁研究團隊發(fā)現(xiàn)，非晶合金的本征韌脆性與其“血型”密切相關。由于快速凝固過程中，不同非晶形成合金過冷熔體發(fā)生元素“旋節(jié)分解（spinodal decomposition）”的熱力學驅動力不同，將會導致鑄態(tài)非晶合金元素分布狀態(tài)的截然不同。由此，研究人員提出了一個全新的非晶合金分類方法，首次將不同的非晶合金劃分為成分位于相圖中共晶點附近的“E-型非晶”與成分位于相圖中金屬間化合物成分附近的“C-型非晶”兩個基本類型，以及它們的混合類型“H-型非晶”。進一步研究發(fā)現(xiàn)，非晶合金的本征韌脆性與其元素分布狀態(tài)的均勻與否存在著密切的對應關系。即元素分布均勻的“C-型非晶”具有很高的塑性變形能力，而元素分布不均勻的“E-型非晶”卻表現(xiàn)為明顯的脆性。雖然進一步的退火弛豫會導致“E-型非晶”與“C-型非晶”屈服強度、硬度以及密度的增加，但其對這兩類非晶合金塑性的影響卻截然不同，呈現(xiàn)“脆者（E-型非晶）更脆，韌者（C-型非晶）恒韌”的奇異現(xiàn)象。通過對上述實驗結果的分析，結合非晶變形過程中剪切帶內元素分布狀態(tài)的動態(tài)演化過程及對應的能量變化，研究人員提出了一個全新的非晶合金剪切變形的動態(tài)模型，很好地解釋了這一現(xiàn)象。該工作非晶合金新的分類方法以及新的剪切變形模型的提出，為人們進一步深入理解非晶合金的本征韌脆性提供了一個全新的視角，不僅很好地重新詮釋了CuZr基、Pd基、Pt基等非晶合金的韌性以及Mg基、Fe基等非晶合金的脆性問題，也清晰地闡明了高泊松比Au基非晶合金的脆性根源。另外，退火前后“韌者恒韌”的“C-型非晶”的發(fā)現(xiàn)也為人們進一步通過相圖信息尋找更多的高塑性塊體非晶合金指明了方向，具有重要的理論意義與實際指導意義。
相關結果被發(fā)表在Nature 旗下的Scientific Reports (Scientific Reports 4, 5733 (2014))上。該研究工作獲得國家自然科學基金面上基金、浙江省自然科學基金、寧波市自然科學基金等項目的支持。
不同非晶合金退火前后的“脆者（E-型非晶）更脆，韌者（C-型非晶）恒韌”現(xiàn)象（左圖），及其對應的剪切變形模型與解釋（右圖）。
通過相圖信息對非晶合金本征韌脆性成分依賴性的新理解
