近日，我院材料科學系楊亮課題組以南航為第一單位做出系列工作，在材料（固體）力學頂刊《International Journal of Plasticity》（影響因子9.8）上連續發表兩篇重要科研論文。該系列工作主要針對非晶合金這種新型材料的應用瓶頸問題之一：如何促使其具有更為全面優異的力學性能。研究成果為“Structural mechanisms of enhanced mechanical property in cryogenic ZrCu metallic glasses”和“A scheme for achieving strength-ductility trade-off in metallic glasses”。論文相關鍊接分别參見：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103680;
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103734.
第一項工作在“非晶合金低溫反向增韌”取得重要研究進展。楊亮課題組博士生李明飛和碩士生周彥華為并列第一作者。随着科技迅猛發展，許多實際應用已擴展到低溫及超低溫環境。例如，航天及星表環境經常遭遇極低溫度。常規晶體合金材料在極端低溫環境中，其性能主要表現為強度增加而塑性降低，甚至出現冷脆。非晶合金作為新型合金，實驗發現其低溫耐磨性明顯高于常規合金，且發生明顯的反向增韌現象，使得強度和塑性同時增強，從而改善其力學性能。因此美國NASA已在航天器用結構材料中多次使用非晶合金。但目前為止仍未徹底揭示該現象的機制機理。
本工作通過分子動力學模拟了Zr2Cu非晶合金在低溫環境中的拉伸變形行為，從自由體積、原子堆積效率、原子剪切應變、原子勢能、剪切轉變區（STZ）、剪切帶等多個角度分析了溫度降低對非晶合金微觀結構及變形行為的作用機制，從而解釋了非晶的低溫反向增韌機理。
作者發現随着溫度降低，非晶模型的機械性能參數均有提高，如圖1所示，印證了實驗觀察的非晶合金低溫反向增韌現象。
圖1 （a）不同溫度模型的應力應變曲線，（b）以300K模型的應力應變曲線為例定義力學參數。
通過原子剪切應變深入分析了非晶合金在變形過程中STZ以及剪切帶在不同溫度中的響應機制，參見圖2。總結，低溫誘導微觀結構和能量的變化，導緻延遲STZ的萌生并阻礙了剪切帶的形核，是非晶合金低溫增韌的最根本原因。
圖2 不同溫度模型的原子剪切應變的演變
第二項工作在“非晶合金的強度/延展性平衡”取得重要研究進展。楊亮課題組博士生李明飛為第一作者。長期以來研究者緻力于研發高性能結構材料，即材料兼具出色的強度和延展性（雙高問題），從而滿足航空航天、核電、軌道交通等領域的廣泛應用需求。但是由于晶體材料變形機制的固有限制，在提高材料強度的時候往往伴随塑性的降級。盡管研究人員發展了多種方法以實現強度與塑性的平衡，比如調控晶體中的晶粒、位錯、晶界等，但在晶體材料中探究具有超高強度的同時兼備優良塑性的結構材料仍是難點問題。非晶合金作為無序态合金材料，與晶态合金相比具有更高的強度、硬度、熱穩定性和耐腐蝕性，被認為是潛在的結構功能材料。目前制備态非晶合金通常塑性欠佳，因此非常有必要探索強度和塑性優良或達到平衡的非晶合金材料或研究策略。
本工作針對非晶合金的強度/延展性平衡問題提出新的研究策略。作者通過分子動力學模拟Zr2Cu非晶合金的壓縮變形行為，研究不同模型機械性能與結構、能量的關系，并闡釋了非晶合金強度和延展性的平衡機理。
通過構建U型缺口實現模型缺口前端結構的均勻變形，從而誘導模型的結構回春（圖3）。随後對回春态模型進行循環應力加載處理，進一步調控非晶的結構與能量，從而實現非晶合金強度和延展性平衡。
圖3 回春态模型構建示意圖
如圖4所示，發現回春态模型表現出顯著應變軟化并伴随最高強度下降和塑性提升。而回春态模型在經曆了循環應力加載過程後，呈現出完全相反的表現，即顯著的應變硬化并伴随強度提升和塑性下降。相對于制備态模型，回春/循環加載兩步法獲得的模型塑性得以顯著改善，且強度增加，實現了強度和延展性的平衡，即力學性能全面改善。
圖4 不同狀态非晶模型的應力應變曲線
為厘清不同模型機械性能差異的原因，文章分析了模型結構和能量變化對非晶變形行為的影響。如圖5所示，以結合結構回春和循環應力加載的兩步法為例，發現隻要能調控非晶的能量狀态（先增加再降低）以及自由體積和軟區的不均勻性（先集中再分散），即可實現非晶強度/延展性平衡。這種策略為實驗調控非晶強度/延展性的平衡性提供了重要依據。
圖5 （a）回春态模型和循環應力加載模型的能量變化示意圖，（b）兩步法調控模型中軟區分布的示意圖，紅圈标注的區域為軟區
作者簡介：楊亮，教授、博士生導師。研究領域為非晶合金、高熵合金、納米合金等新型金屬材料，開發多種塊體、條帶、塗層材料，關注新金屬材料在核電、海洋、航天等苛刻環境中的應用，擅長利用同步輻射技術和模拟計算手段研究材料的結構和性能關聯性。承擔包括國家自科基金項目在内的多項國家和省部級科研項目，獲省部級二等獎1項；在Physical Review Letters、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Physical Review B、Applied Physics Letters、Scripta Materialia、Materials&Design 等材料、物理和力學類著名期刊發表科研論文。
郵箱：yangliang@nuaa.edu.cn
