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西工大《SCPMA》: 非晶合金高溫變形過程中的老化與回春！

2022-08-25 15:48:30 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

非晶合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能引起了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的關(guān)注。物理老化誘發(fā)的結(jié)構(gòu)弛豫嚴(yán)重?fù)p害了非晶合金的塑性，已然成為其工程應(yīng)用的瓶頸。回春是指非晶合金由低能態(tài)向高能態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。高溫變形是一種實現(xiàn)非晶合金回春的有效方式，被廣泛應(yīng)用于抑制非晶合金的老化行為并調(diào)控其熱力學(xué)狀態(tài)。然而，高溫變形并不總是可以實現(xiàn)非晶合金回春，往往也會促使非晶合金進入能量更低的狀態(tài)，甚至加劇其結(jié)構(gòu)弛豫。因此，高溫變形過程中非晶合金回春和老化之間的競爭行為，以及它們在變形過程中與自由體積之間的關(guān)聯(lián)迫切需要深入研究。

來自西北工業(yè)大學(xué)的喬吉超教授團隊、中國科學(xué)院力學(xué)研究所王云江研究員和香港城市大學(xué)楊勇教授等結(jié)合高溫變形行為和動力學(xué)弛豫譜研究了稀土基非晶合金高溫變形過程中老化與回春的競爭過程，闡明了高溫變形實現(xiàn)非晶合金回春的物理本質(zhì)。相關(guān)論文以題為“Aging and rejuvenation during high-temperature deformation in a metallic glass”發(fā)表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上。

論文鏈接：

https://www.sciengine.com/SCPMA/doi/10.1007/s11433-022-1953-x

圖1. a)不同預(yù)老化時間條件下非晶合金的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線并采用自由體積理論進行擬合; b)拉伸過程中流動缺陷濃度演化; c) 單軸拉伸至不同應(yīng)變時的應(yīng)力松弛行為; d) 應(yīng)力松弛過程中缺陷濃度演化。

圖2. a) 雙對數(shù)坐標(biāo)下應(yīng)力松弛行為呈雙階段冪律過程; b)冪律指數(shù)和交叉時間隨拉伸應(yīng)變的演化。

圖3. a) 不同預(yù)老化時間條件下非晶合金的蠕變行為并采用自由體積理論進行擬合; b) 蠕變過程中流動缺陷濃度演化; c) 不同熱力學(xué)歷史下內(nèi)耗隨溫度的演化。

圖4. 不同缺陷再生與湮滅競爭強度下蠕變過程中a)應(yīng)變; b)應(yīng)變速率; c)缺陷濃度的演化; d) 蠕變過程中應(yīng)變速率與缺陷濃度之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

總之，作者在自由體積理論框架下對非晶合金高溫變形過程中的老化和回春之間的競爭行為進行了探究。他們發(fā)現(xiàn)在變形的中熱歷史、老化和力學(xué)激勵引起的結(jié)構(gòu)無序耦合在一起，它們共同決定了非晶合金的變形機制和微觀結(jié)構(gòu)非均勻性程度。因此，在單軸拉伸和蠕變過程中，宏觀變形和微觀缺陷濃度之間存在較為明顯的差異。此外，應(yīng)力超調(diào)和粘彈性變形直接對應(yīng)于非晶合金的回春行為，可以有效提高缺陷濃度并消除熱歷史。最終的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)并不依賴于熱力學(xué)歷史，只取決于環(huán)境溫度和是假的應(yīng)變率/應(yīng)力。

重要的是，作者報道了蠕變過程中缺陷濃度與應(yīng)變速率呈現(xiàn)出一一對應(yīng)的關(guān)聯(lián)，證實流動缺陷的再生與湮滅之間的競爭是打開回春之門的關(guān)鍵。這些新發(fā)現(xiàn)不僅有助于增進對通過高溫變形實現(xiàn)非晶合金回春的進一步認(rèn)識，同時也將鼓勵對非晶合金在電場/磁場等其他激勵作用下老化與回春行為的研究。

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