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谌祺副教授课题组在块体金属玻璃材料的形变机制研究上取得进展

发布日期:2020-07-28    作者:     来源:     点击:

(通讯员 陈姝彧)717日,《通讯·材料》(Communications Materials) 在线刊发了华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心谌祺副教授课题组关于脉冲电流驱动金属玻璃变形的最新成果,论文题目为“Expanding the homogeneous regime of deformation in bulk metallic glass by electromigration-induced rejuvenation”。该成果由华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心、材料学院和暨南大学、中科院物理所共同完成。我校为论文第一完成单位,谌祺副教授和暨南大学张猛副教授为论文第一作者,中心韩小涛教授、材料学院柳林教授和中科院物理所汪卫华研究员为论文共同通讯作者。

块体金属玻璃是一种亚稳态、具有“长程无序、短程有序”原子结构的合金材料。由于其缺少传统金属晶体材料中类似晶界和位错等缺陷,形变局域化是室温下金属玻璃变形的主要特征。金属玻璃在室温下往往表现为非均匀变形,而且变形区域只集中在尺度为10-50nm的剪切带中。由于金属玻璃的剪切软化效应,尤其是在拉伸条件下,剪切带形成之后,会迅速扩展并诱导脆性断裂,使得金属玻璃几乎没有宏观拉伸塑性。如何提高金属玻璃在拉伸载荷作用下的宏观塑性变形能力一直是学术界研究的热点和难点,而解决这个问题也是促进金属玻璃应用的关键环节。

图中,a)为不同电流密度下的Zr55Cu30Al10Ni5块体金属玻璃的拉伸应力-应变曲线;b)为不同条件下的拉伸样品;c)d)为电迁移效应引起的动态回春机理示意图。

该研究通过在金属玻璃拉伸变形过程中巧妙地引入脉冲电流,抑制了金属玻璃的剪切形变局域化,使金属玻璃在远低于其玻璃转变温度时发生了均匀塑性变形,并表现出类似于延性金属的缩颈现象。通过与常规加热条件下的拉伸实验对比发现,在电流激励拉伸变形过程中,电流的电迁移效应致使金属玻璃发生动态回春(Dynamic Rejuvenation),扩大了金属玻璃的基本变形单元——剪切转变区,从而促使金属玻璃发生均匀拉伸变形;而电流产生的焦耳热,并非金属玻璃发生均匀变形的关键因素。根据金属玻璃在“应变速率-温度”空间上的变形图谱(Deformation Map)进行定量分析发现,电迁移效应相当于约0.15TgTg为玻璃转变温度)的等效温升。这一结果表明,电迁移效应显著的扩展了金属玻璃发生均匀形变的温度范围。该研究成果不仅有助于更好地理解金属玻璃塑性变形机理和“电塑性效应”的本质,还为通常只能进行传统“热塑性”成形加工的金属玻璃提供了新的技术手段,有望推动金属玻璃的工业应用。

该项研究的实验基于国家脉冲强磁科学中心电磁成形工作站开展,相关工作得到了国家自然科学基金以及华中科技大学自主创新基金的支持。

《通讯·材料》是国际知名学术出版机构施普林格·自然(Springer Nature)的一本新刊,创办于2019年末,主要发表材料学领域内的重要研究。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s43246-020-0046-x