加工硬化或形變硬化，即金屬材料隨塑性變形而引起強(qiáng)度升高的行為，反映材料在均勻塑性變形中抵抗進(jìn)一步變形的能力。它是工程材料力學(xué)行為最重要的現(xiàn)象，也是金屬作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用的重要依據(jù)。

非晶合金（也稱金屬玻璃）具有許多優(yōu)異的機(jī)械性能（高屈服應(yīng)力、高韌性和破紀(jì)錄的“損傷容忍度”），但應(yīng)變軟化卻是其致命弱點(diǎn)。與傳統(tǒng)晶體材料不同，它們的變形高度局域化，表現(xiàn)為以剪切帶主導(dǎo)的非均勻變形。這直接導(dǎo)致了其室溫脆性，成為非晶合金的瓶頸問題。因此，實(shí)現(xiàn)塊體非晶合金的加工硬化行為，被認(rèn)為是非晶合金乃至所有無定型材料領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。

近期，金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料動力學(xué)研究部李毅研究員（通訊作者），潘杰副研究員（第一作者）和博士生周維華與英國劍橋大學(xué)材料系 A.L. Greer教授（通訊作者）、Y. P. Ivanov博士合作，首次在塊體非晶態(tài)材料中實(shí)現(xiàn)加工硬化，顛覆了人們對非晶態(tài)材料形變軟化行為的固有認(rèn)識，為開發(fā)具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業(yè)應(yīng)用提供了新思路和方向。相關(guān)成果于2月26日在《自然》（Nature）發(fā)表。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-00468-9

研究人員首先通過三維壓應(yīng)力的方法使塊體非晶合金產(chǎn)生大范圍、高程度的回春，開發(fā)出最高能量狀態(tài)相當(dāng)于冷速為1010K/s的非晶合金（Nature Communications 2018）。在此基礎(chǔ)上，通過單軸拉伸或壓縮測試發(fā)現(xiàn)：高能量狀態(tài)（回春態(tài)）的塊體非晶合金在變形時表現(xiàn)出加工硬化現(xiàn)象和優(yōu)異的塑性變形能力（圖1）。

圖1 (a) 利用三維壓應(yīng)力的方法使塊體非晶合金產(chǎn)生大范圍、高程度的回春，獲得高能態(tài)的塊體非晶合金；(b) 回春態(tài)塊體非晶合金在單軸壓縮時的加載-卸載-再加載曲線和真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線（插圖）。

在加工硬化階段，觀察不到任何剪切帶，表明合金發(fā)生了均勻流變，這完全不同于傳統(tǒng)非晶合金依靠剪切帶的變形行為。此外，非晶合金的硬化速率遠(yuǎn)高于任何常見的晶體金屬體系。對比回春態(tài)和傳統(tǒng)鑄態(tài)塊體非晶合金在變形前后的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)變化時發(fā)現(xiàn)，回春態(tài)非晶合金在加工硬化過程中硬度明顯上升，但能量顯著降低（圖2）。非晶合金的徑向分布函數(shù)結(jié)果表明加工硬化后回春態(tài)塊體非晶合金的結(jié)構(gòu)更加有序化（密度增加），與傳統(tǒng)鑄態(tài)非晶合金形變軟化和能量升高的變形過程完全相反。

圖2 變形過程中塊體非晶合金的能量狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化。(a) 回春態(tài)非晶合金在變形前后的DSC曲線和馳豫焓；鑄態(tài)和回春態(tài)非晶合金的(b)歸一化硬度，(c)馳豫焓，以及(d)主衍射環(huán)位置q1與塑性變形量間的關(guān)系。回春態(tài)非晶合金在最初變形階段（<5%）表現(xiàn)出顯著的加工硬化，伴隨著硬度升高和能量的降低，以及結(jié)構(gòu)的有序化。這完全不同于傳統(tǒng)鑄態(tài)非晶合金應(yīng)變軟化并伴隨能量增加過程。

晶體金屬加工硬化的原理是變形過程中位錯增殖和相互作用阻礙了彼此的運(yùn)動，這一微觀機(jī)制最早由G. I. Taylor在1934年提出。雖然微觀結(jié)構(gòu)等其他因素也會影響材料的加工硬化行為，但其最基本原理沒有改變，仍然是缺陷增殖，并導(dǎo)致材料能量增加的過程。

然而，此次研究結(jié)果表明，塊體非晶合金的加工硬化卻是伴隨著材料缺陷的湮滅和減少（更馳豫狀態(tài)），是一個由高能態(tài)向低能態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。這與晶體材料的傳統(tǒng)加工硬化過程完全相反，表明非晶合金具有完全不同的加工硬化機(jī)制。此研究不僅是八十五年來對材料加工硬化機(jī)理的重新認(rèn)識，也為非晶態(tài)材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。該研究得到國家自然基金，沈陽材料科學(xué)國家研究中心，中國科學(xué)院金屬所和中國科學(xué)院等項(xiàng)目資助。