《自然•材料》 发表中英学者焦点文章----关于非晶合金的塑性研究

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最近，中科院物理所汪卫华研究组与英国剑桥大学材料冶金系合作，在大块非晶合金材料塑性研究方面取得新进展。他们采用“喷丸”的方法，对大块非晶合金材料进行表面处理，可能为解决大块非晶合金材料的脆性问题提供新的、更简单的途径，同时对认识脆性材料的断裂机理也有重要意义。相关工作发表在《自然•材料》2006年11期上，文章还被选作改期的焦点文章之一。
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大块非晶合金（或大块金属玻璃）由于期独特的结构具有许多优异的力学性能，如高强度和硬度、耐磨、抗疲劳等。但由于大块非晶合金的塑性高度局域在～20nm的剪切带中，造成大块非晶合金材料的结构软化，从而导致脆性断裂。脆性严重限制大块非晶合金作为工程材料的广泛应用。如何克服大块非晶合金材料的脆性这一明显缺点，一直是该领域的重要研究方向。目前主要采用的是复合方法，即在大块非晶合金中复合第二相如纳米颗粒、枝晶相等，这方面的代表性工作是美国加州理工大学W.L.Johnson完成的[PRL,84,290(2000)]。复合方法确实能有效提高塑性。但导致制备工艺更加复杂，提高成本。去年，汪卫华研究组通过提高大块非晶合金的泊松比，利用大块非晶合金中原子尺度的非均匀性，在CuZr一基单相非晶中获得大塑性的大块非晶合金材料[PRL,94,205501(2005)]。同时，美国加州理工大学也发现了大塑性的Pt－基大块非晶合金材料，但这些方法只能限制在一些特殊体系中。能否找到更简单、能方便应用于工业上的方法来克服大块非晶合金材料的脆性呢？

据专家介绍，氧化物玻璃比大块非晶合金材料更脆，但氧化物玻璃被大量应用（作为结构材料）在建筑、汽车（窗户玻璃）领域。为了提高氧化物玻璃材料的力学性能，在工业界普遍采用一种叫“回火tempering”的技术来引入表面压缩残余应力，达到限制为裂纹的萌生和扩展。这种方法可把玻璃的强度提高最多4倍。受此启发，汪卫华研究组和英国剑桥大学材料冶金系合作，采用喷丸（shot peening）的方法（即往材料表面喷金属小颗粒），对大块非晶合金材料进行表面处理。研究发现合适的喷丸表面处理能够起到引入表面压缩残余应力的作用。与氧化物玻璃中采用的回火方法不同的是喷丸表面处理可在大块非晶合金材料中引入大量剪切带，这使得大块非晶合金材料的压缩过程更接近均匀形变，少数剪切带难以很快扩展（收到残余应力的限制）成裂纹，从而可有效提高大块非晶合金材料的塑性。