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中科院非晶合金的塑性研究取得的重要进展 |
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| http://cn.newmaker.com
3/15/2007 6:39:00 PM
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3月9日出版的美国《科学》杂志(Science315,1385(2007))发表了中国科学院物理研究所汪卫华研究组在非晶合金的塑性研究中取得的重要进展。他们成功研制出在室温条件下同时具有超高塑性和超高强度的块体非晶合金材料，并对其进行了结构分析，提出了探索塑性大块非晶的新方法，在物理上证明高强度和大塑性(结构材料最重要的两个性质)在非晶材料中可以有机结合在一起。此外，该材料的组元均是价格较低廉的常见金属，结合其优良的性能，使得该非晶合金有望得到广泛的实际应用。
长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标，但是由于变形机制的限制，在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶合金强度远远高于同成分的晶态金属合金)，但是其塑性变形能力几乎完全丧失。其主要原因是非晶合金没有位错等缺陷，在变形过程中主要通过高度局域化并软化的剪切带来承担塑性应变，这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。
中科院物理所汪卫华研究组几年来在非晶态合金材料的塑性变形方面做了较系统的研究，澄清了脆性材料断裂研究中一些重要科学问题，加深了对非晶态等脆性材料的断裂机制的认识【见Phys.Rev.Lett.94,125510(2005)】，在此基础上提出了切变唯像模型，利用泊松比有效地标定了大部分大块非晶合金的室温塑性【见Philo.Mag.Lett.85(2),77-87(2005)，,JAppl.Phys.99,093506(2006)】为改进非晶材料的脆性，设计新的具有大塑性、高强度的金属玻璃材料提供了必要的理论依据。并在此基础上首先开发出了具有较大塑性的CuZr基单相非晶合金材料【见Phys.Rev.Lett.94(2005)205501】。
近日，该组研究人员利用常用的Zr、Cu、Ni和Al金属元素,根据自己提出的模量判据，通过快速凝固的现代冶金手段,合成出了在室温条件下具有超高压缩塑性的非晶合金。不同于以往的非晶合金，这种新开发的材料在室温下的压缩塑性变形能力非常强，可以像常见的纯Cu，纯Al一样弯曲或形变成一定的形状。在具有超高塑性的同时，该材料还非晶合金高强度的特点。结构分析表明，这种非晶合金具有一种特殊的微观结构，正是这种特殊的结构使其具有优异的塑性。人们通常认为高度局域化并软化的剪切带是非晶合金材料脆性的原因，这项工作表明通过合适的成分和结构调制，可以有效控制剪切带的形成、运动和扩展，从而有效改善非晶合金的塑性，而且不影响非晶的高强度的特点。同时，他们还提出探索塑性大块非晶的新方法：即非晶合金的塑对其成分很敏感，这种成分敏感性可用泊松比来有效地标定，从而可利用材料成分随泊松比的变化规律来探索出具有大塑性的非晶材料。这为探索同时具有高强度和大塑性的金属非晶合金材料提供了新方法。这项工作对于理解非晶材料的塑性变形机理、解决非晶合金材料的脆性难题都有重要意义。
该工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院的资助。
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