金屬玻璃的室溫塑性變形通常被限制在主剪切帶中，由此引起應(yīng)變軟化與脆性失效。為減弱此效應(yīng)，拓?fù)洚愘|(zhì)結(jié)構(gòu)被引入至非晶合金，促進(jìn)變形過程中多重剪切帶的產(chǎn)生。不同于以往對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)控及基于剪切帶的變形模式，近日，西安交大材料學(xué)院微納中心（CAMP-Nano）吳戈教授、單智偉教授團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)成分設(shè)計(jì)，在非晶合金中構(gòu)筑納米尺寸化學(xué)異質(zhì)疇，來大幅增強(qiáng)其在壓縮和拉伸下的均勻塑性流變。

為了使合金具備較高的玻璃形成能力，元素間的混合焓需要為負(fù)。然而，為了使合金內(nèi)存在化學(xué)成分明顯不同的非晶納米疇，以實(shí)現(xiàn)納米疇間較大的力學(xué)性能差異，需阻止合金制備過程中相鄰納米疇間的原子擴(kuò)散。因此，不同納米疇主元之間的混合焓需要為正。這兩個(gè)看似矛盾的條件在Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶合金中得到調(diào)和（其中XX與YY為其它元素）。在這種非晶合金中，單個(gè)納米疇內(nèi)的元素間具備較大的負(fù)混合焓，而不同納米疇主元Ti和Mg之間的混合焓為正。納米疇借助非晶合金在納米尺度均勻塑性流變的優(yōu)勢(shì)，使得整體合金具備較高的均勻塑性變形（且具備應(yīng)變硬化）。在塑性流變過程中，剪切轉(zhuǎn)變區(qū)的全域激活引起原子重排，使得相鄰納米疇之間發(fā)生動(dòng)態(tài)原子混合。這一行為減弱了不同納米疇的模量差異，從而阻礙了由于界面應(yīng)力集中引起的失效，提高了整體材料的力學(xué)穩(wěn)定性。

因此，Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶合金在室溫壓縮實(shí)驗(yàn)中顯示~2%的彈性變形與~40%的均勻塑性流變，相比于以往的單相非晶合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)非晶合金均有較大的提升。這種使用納米尺寸化學(xué)異質(zhì)疇的合金設(shè)計(jì)以及界面區(qū)的動(dòng)態(tài)原子混合機(jī)制展示了一種開發(fā)高強(qiáng)高塑性非晶合金的新思路。

此工作以“Substantially enhanced homogeneous plastic flow in hierarchically nanodomained amorphous alloys”為題發(fā)表在Nature Communications。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一作者單位和第一通訊單位。吳戈教授（西安交大）為論文第一作者兼通訊作者，劉暢教授（西安交大）為論文共同通訊作者。作者包括：劉思達(dá)教授（山東大學(xué)，現(xiàn)已入職西安交大）、王慶教授（上海大學(xué)）、饒婧博士（德國馬普所）、夏文真教授（安徽工業(yè)大學(xué)）、閆永強(qiáng)博士生（西安交大）、Jürgen Eckert教授（奧地利科學(xué)院）、馬恩教授（西安交大）、單智偉教授（西安交大）。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委及國家青年人才計(jì)劃的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39296-6

圖1 混合焓指導(dǎo)合金設(shè)計(jì)。a 合金設(shè)計(jì)策略的示意圖。 b 典型的平視和側(cè)視明場(chǎng)TEM 圖。 c 放大的 HAADF-STEM 圖。 d-e EDS mapping圖（這里只顯示Ti與Mg）。

圖 2 多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶合金的力學(xué)性能。a 室溫下相同測(cè)試條件下微柱樣品的壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b-d 壓縮后相應(yīng)的Mg-Zn-Ca非晶合金、Ti-Zr-Nb-Si非晶合金和多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶合金的SEM圖。e 非晶合金歸一化屈服強(qiáng)度(σ_y/E)與均勻形變（不產(chǎn)生剪切帶）性能比較圖。

圖 3 塑性變形過程中不同納米化學(xué)異質(zhì)疇之間的動(dòng)態(tài)原子混合行為。a-c不同應(yīng)變下材料的HAADF-STEM圖。 d材料在應(yīng)變>70%時(shí)的BF-STEM圖。Maze-like花樣證實(shí)了其非晶結(jié)構(gòu)。 e-g發(fā)生變形區(qū)域（由(a-c)中的白色箭頭指示）的一維成分分布，顯示不同納米化學(xué)異質(zhì)疇的成分差異隨著應(yīng)變的增加而減小。

圖 4 動(dòng)態(tài)原子混合機(jī)制示意圖

圖 5 多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶合金的原位TEM拉伸變形行為。b–f 多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶合金在拉伸時(shí)的明場(chǎng)TEM圖。 g-h (f) 中紅色虛線框區(qū)域的放大HRTEM圖。i 多級(jí)納米化學(xué)異質(zhì)非晶態(tài)合金在拉伸過程中的變形示意圖。顯示了在裂紋產(chǎn)生前材料發(fā)生均勻塑性變形，裂紋產(chǎn)生后均勻塑性流變區(qū)橋連裂紋，從而減緩裂紋擴(kuò)展。 j–l 參照組Mg-Zn-Ca和Ti-Zr-Nb-Si非晶態(tài)合金在拉伸過程中的明場(chǎng)TEM 圖。m 參照組非晶態(tài)合金在拉伸過程中的變形示意圖，顯示了裂紋由剪切帶區(qū)域快速擴(kuò)展。