第一作者：蘇爽

通訊作者：寧志良，張彥明，黃永江

通訊單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.024

本論文系統(tǒng)研究了退火處理對Zr₅₈Cu₃₀Ti₂Al₁₀非晶合金能量狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的影響規(guī)律。退火工藝通過降低能量狀態(tài)，顯著提高了非晶合金的結(jié)構(gòu)有序度和均勻性，從而提高了其整體力學(xué)性能可靠性。具體而言，退火促進了局部二十面體近程有序的形成，有助于提高納米硬度和抗拉強度。此外，退火過程中內(nèi)應(yīng)力的釋放和重新分布進一步優(yōu)化了內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高了材料的斷裂強度，獲得了可靠的力學(xué)性能。本研究不僅闡明了退火對非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制，也為探索高強度、高斷裂可靠性的非晶合金材料提供了理論支持和實驗依據(jù)。

非晶合金樣品的制備。(a) 熔體抽拉工藝制備非晶合金微絲示意圖；(b) 快速凝固工藝制備非晶薄帶示意圖；(c) 非晶微絲和薄帶納米壓痕位置示意圖；(d) 非晶微絲、薄帶和塊體樣品的拉伸試樣尺寸示意圖。

微觀結(jié)構(gòu)分析。不同能態(tài)非晶合金的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像及其快速傅里葉變換(FFT)和相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)(ACF)圖像：(a) 非晶微絲；(b) 非晶薄帶；(c) 鑄態(tài)塊體非晶合金；(d) 退火0.5 h的塊體非晶合金；(e) 退火1 h的塊體非晶合金。(f) HRTEM的兩種不同類型ACF（周期性和隨機）模式及其FFT圖像；(g) 有序度隨弛豫焓?H的增加而降低。

納米硬度測試。納米硬度分布：(a) 非晶微絲；(b) 非晶薄帶；(c) 鑄態(tài)塊體非晶合金；(d) 退火0.5 h的塊體非晶合金；(e) 退火1 h的塊體非晶合金。(f) 納米硬度最大值和最小值；(g) 每個樣品在100個納米壓痕中的納米硬度范圍值。

納米硬度的統(tǒng)計分析。(a) 納米硬度的高斯擬合；(b) 高斯擬合曲線的半峰寬；(c) 高斯擬合曲線的峰值；(d) 高斯峰位置和納米硬度平均值；(e) 平均值的標準差。

拉伸斷裂強度的統(tǒng)計分析。(a) 最大和最小斷裂強度值之間的范圍；(b) 對數(shù)正態(tài)分布和Weibull統(tǒng)計分析的模量，插圖顯示對數(shù)正態(tài)分布的標準差；(c) 斷裂強度的幾何平均值和算術(shù)平均值；(d) Weibull統(tǒng)計分析的斷裂閾值。

非晶合金原子分布示意圖。(a) 低有序度的非晶合金（微絲/薄帶），(b) 塊體非晶合金（鑄態(tài)），(c) 高有序度的非晶合金（退火態(tài)）。

綜上所述，通過調(diào)整制備過程中的冷卻速率和后續(xù)的退火處理，我們獲得了具有不同能量狀態(tài)的Zr₅₈Cu₃₀Ti₂Al₁₀非晶合金。通過對其熱力學(xué)行為的定量表征，結(jié)合多種統(tǒng)計分析方法，系統(tǒng)研究了不同能量狀態(tài)下非晶合金結(jié)構(gòu)均勻性和力學(xué)可靠性的演變及其內(nèi)在機制。主要結(jié)論如下：

1. 能量狀態(tài)的降低有助于非晶合金中內(nèi)應(yīng)力的釋放，促進短程有序團簇的形成，這些團簇隨后連接形成中程有序結(jié)構(gòu)，從而增加了類晶體有序區(qū)的數(shù)量。

2. 在有序度較高的非晶合金中，軟點的硬化和硬點的膨脹使原子堆積密度增大，導(dǎo)致納米硬度和拉伸斷裂閾值均升高。

3. 退火使可移動的原子重新分布，減少易變形的薄弱區(qū)域，增強非晶合金的結(jié)構(gòu)均勻性，同時平衡了原子尺度的應(yīng)力分布。這種結(jié)構(gòu)演變減少了納米硬度值的分散程度，且提高了拉伸斷裂的可靠性。

寧志良，教授，博士生導(dǎo)師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國家級重點實驗室教師。先后主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項目、國家部委基金項目、科技部國際合作項目、黑龍江省科技攻關(guān)重點項目。獲得省部級科技進步二等獎三項，發(fā)表論文140余篇，其中SCI收錄80余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利40項，申報發(fā)明專利70余項。

黃永江，教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，英國皇家學(xué)會牛頓學(xué)者，黑龍江省高層次人才，中國金屬學(xué)會非晶合金分會委員，中國熱處理行業(yè)協(xié)會汽車鋼分會副理事長。主要從事新型航天金屬材料的增材/增減材智能制造、亞穩(wěn)金屬材料(包括非晶合金及其復(fù)合材料、輕合金、高熵合金等）、液態(tài)金屬等方向研究工作。獲黑龍江省科技進步二等獎一項，黑龍江省自然科學(xué)二等獎一項，黑龍江省高校自然科學(xué)一等獎和二等獎各一項。在Advanced Materials，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Additive Manufacturing，Materials Future，Corrosion Science等國際著名學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表SCI收錄論文230篇，被Science等權(quán)威雜志引用6218次（單篇最高SCI引用280余次），ESI高被引3篇，1篇論文入選中國知網(wǎng)高影響力論文，1篇論文入選Rare Metals雜志年度最佳論文，H因子40，申請專利79項，授權(quán)50項，擔(dān)任6個國際期刊編委/青年編委。

張彥明，工學(xué)博士，畢業(yè)于美國倫斯勒理工學(xué)院，美國康寧Glass Age Scholar獲得者。主要從事亞穩(wěn)金屬材料與無機非金屬材料的研究工作。在Nature Nanotechnology，Nano Letters，Acta Materialia，Journal of the American Ceramic Society 等國際知名高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文，申報發(fā)明專利10余項。擔(dān)任ACS Omega，Journal of Applied Physics等國際知名學(xué)術(shù)期刊審稿人。

蘇爽，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生，韓國首爾國立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生。主要從事非晶合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能調(diào)控和增材制造研究。以第一及共同作者在Acta Materialia，Journal of Materials Science & Technology，Virtual and Physical Prototyping，Composites Part B: Engineering等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI收錄論文10余篇，谷歌學(xué)術(shù)引用250余次。參與國家自然科學(xué)基金面上項目的研究工作，擔(dān)任Journal of Materials Research and Technology等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊審稿人。