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75張圖！156篇文獻！北航&加州大學(xué)聯(lián)合發(fā)表重磅頂刊綜述：機械變形引起的非晶化！

2022-05-18 10:25:10 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近日，材料領(lǐng)域頂級期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》在線發(fā)表了北京航空航天大學(xué)、美國加州大學(xué)聯(lián)合發(fā)表的長篇綜述“Amorphization by mechanical deformation”。在這篇綜述中，重點研究了由機械變形引起的非晶化，這種非晶化可以通過多種方式進行，其中突出的是摩擦學(xué)過程、嚴重的塑性變形、納米壓痕，沖擊壓縮和球磨/機械合金化。變形將缺陷引入結(jié)構(gòu)，將其自由能提高到超過非晶相之一的水平，從而為非晶化提供了條件。介紹并討論了金屬合金、金屬間化合物、離子和共價鍵合材料中非晶化的實驗觀察。還有一種觀察生物材料中的非晶化。作者還關(guān)注非晶材料塑性變形的基本機制；這是一個密切相關(guān)的過程，在這個過程中，除了非晶化，變形還在新階段繼續(xù)進行。非晶化的觀察和分析得到了計算模擬的補充，這些模擬預(yù)測了機械誘導(dǎo)的非晶化過程并解決了這種轉(zhuǎn)變的機制。

全文綜合大圖75張，156篇參考文獻，基于團隊十多年研究工作及相關(guān)課題組、研究單位成果綜述而成。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X22000122#!

晶體結(jié)構(gòu)的非晶化是金屬、陶瓷和金屬間化合物中普遍存在的現(xiàn)象。盡管非晶相通常比其結(jié)晶相具有更高的吉布斯自由能，但有許多方法可以產(chǎn)生非晶化。從固體結(jié)晶相中產(chǎn)生無定形相的要求是將其自由能增加到能夠?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的臨界水平以上。

在這篇綜述中，我們關(guān)注塑性變形非晶化的基本方面。這些是根據(jù)其類別為不同的材料提供的：

（1）金屬和合金：

大量金屬合金表現(xiàn)出非晶化：Cu-Nb-（Si、Ge或Sn）合金體系、Nb3Sn、不銹鋼、灰鑄鐵中的石墨片、Cantor和其他一些高熵合金。這種現(xiàn)象僅在一種純金屬中觀察到：準靜態(tài)壓縮的納米晶鎳。晶體通常被認為是通過晶格缺陷的產(chǎn)生和傳播而變形的。在形成納米級非晶區(qū)的有利條件下，該過程可導(dǎo)致納米級非晶化。

（2）金屬間化合物：

位錯是金屬塑性變形的主要載體，它們之間的相互作用以及與晶界（GB）等其他結(jié)構(gòu)特征的相互作用會導(dǎo)致強化。通常，缺乏位錯可塑性會導(dǎo)致樣品脆性破壞。Ni-Zr、Ni 3 Al、爆炸焊接的 Ti/Ni 復(fù)合材料、NiTi、Ni x Zr y、ZrCu、Zr 50 Cu 40 Al 10和釤鈷（SmCo 5）通過不同的劇烈塑性變形方法生產(chǎn)。對于金屬間化合物釤-鈷（SmCo 5 ），在納米壓痕中在小晶粒尺寸的變形中，主要的變形機制是晶界滑動，而對于較大的晶粒尺寸，晶界滑動和非晶剪切帶的形成都會發(fā)生。迄今為止，研究最多的金屬間化合物是 NiTi。

（3）共價和離子材料：

由于其開放結(jié)構(gòu)和負克拉佩龍行為，共價材料也易于非晶化，并審查了以下系統(tǒng)：橄欖石、Si、方石英、α-石英、α-伯林石、CaSiO 3、蛇紋石、B 4 C、硼低氧化物、金剛石、Ge、SiC和鎂橄欖石。在 Ca（OH） 2和磷酸鈣等離子材料的極端變形中觀察到了類似的變形誘導(dǎo)非晶化現(xiàn)象。

（4）生物材料：

大自然在可用資源有限的受限環(huán)境下構(gòu)建輕質(zhì)、堅固和堅韌的生物材料。螳螂蝦快速擊球的趾棒的撞擊面就是這種復(fù)合材料的一個例子。這種蝦已經(jīng)進化出定位損傷的能力，并避免在其進食活動期間因高速撞擊而造成災(zāi)難性故障。通過在納米粒子結(jié)構(gòu)的設(shè)計中實施非晶化，與具有非整合相的結(jié)構(gòu)相比，剛度和強度顯著增加，從而導(dǎo)致更高的能量吸收。

圖 1。通過從頭算分子動力學(xué)模擬在各種金屬玻璃中發(fā)現(xiàn)的短程和中程有序的示例

圖 2。（a）一般比容與溫度的關(guān)系，顯示結(jié)晶和玻璃形成（冷卻時）以及結(jié)晶相和玻璃相之間的比容差異。（b）吉布斯自由能與溫度的關(guān)系，顯示結(jié)晶和無定形路徑以及它們之間的自由能差異。

圖 3。金屬玻璃的制造流程圖有兩條主要途徑：熔體鑄造和熱塑性成型

圖 9。重型汽車制動試驗后灰鑄鐵盤中石墨片的非晶化。（a）圓盤橫截面的能量過濾 TEM 圖像。淺灰色條帶是石墨，深灰色顆粒是鐵，斑點灰色顆粒是磁鐵礦。（b）（a）中白盒區(qū)域的更高放大倍數(shù)。（c）（b）中白框區(qū)域的更高放大倍數(shù)。帶有SAED 圖案插圖。（d）快速傅里葉逆變換（FFT）重建圖像，顯示石墨點和平面被弄皺

非晶材料的塑性變形也與本綜述的重點有關(guān)。它可以代表最后一個階段，此時已經(jīng)通過機械手段實現(xiàn)了非晶化。基本上有兩種理論可以預(yù)測這種變形的機制：自由體積理論和剪切轉(zhuǎn)變區(qū)理論。它們都在本文中進行了嚴格審查。非晶化過程可以釋放在位錯、層錯、孿晶或相變區(qū)等晶體缺陷交叉處積累的大偏應(yīng)力。偏應(yīng)力的釋放可以抑制納米級裂紋的產(chǎn)生和擴展，否則會導(dǎo)致材料失效。因此，非晶相通常比其結(jié)晶相更硬，因為位錯不能在其中傳播，這使得這些材料在沖擊、穿透、保護和極端應(yīng)變率條件等極端承載應(yīng)用中具有競爭力。除了位錯介導(dǎo)的塑性、機械孿晶和相變之外，非晶化可以被認為是一種變形機制；

圖 10。Fe 3 Cr 2 Al 2 CuNi 4 Si 5 HE-MG（一種新型非等原子合金）的TEM 照片。（a）插圖顯示了無定形基質(zhì)的衍射圖案，（b）插圖顯示了納米顆粒的衍射圖案

圖 11。10 -3 s -1應(yīng)變速率下準靜態(tài)壓縮后型鍛CrMnFeCoNi HEA的復(fù)雜變形微觀結(jié)構(gòu)。（a） TEM 明場圖像顯示高密度平面缺陷。（b）孿晶、hcp 相和非晶區(qū)的嚴重變形區(qū)域的HRTEM顯微照片，如圖所示。（c）孿生區(qū)域的近視圖（d） hcp 區(qū)域的近視圖，傅里葉變換濾波以最大化相位對比度。（e）在 hcp 和孿晶區(qū)域的交叉處形成的非晶區(qū)域的近視圖

圖 12。CrMnFeCoNi HEA 在動態(tài)壓縮/剪切后的復(fù)雜變形微觀結(jié)構(gòu)。（a）具有孿晶、堆垛層錯、hcp 相和非晶帶的剪切帶的明場 TEM 圖像。（b） SAED 圖案顯示 fcc 矩陣、孿晶點和 hcp 結(jié)構(gòu)的存在。（c） HRTEM圖像顯示孿晶和堆垛層錯（SF）的共存。（d） hcp 和 fcc 相之間界面的傅里葉濾波晶格圖像。（e）無定形帶的 HRTEM 圖像（（a）中的紅框區(qū)域）和相應(yīng)的快速傅里葉變換衍射圖

圖 20。NiTi 試樣高度變形 75% 的 TEM 圖像：（a）明場圖像；（b） SAEDP 顯示非晶相和納米晶相、B2奧氏體和 B19' 馬氏體共存；（c） HRTEM圖像顯示分布在無定形基質(zhì)中的保留納米晶相；（d）（c）中 D 區(qū)的 FFT 揭示了無定形性質(zhì)；（e）（c）中 E 區(qū)的 FFT，顯示非晶相和納米晶相共存；（f）（c）中 F 區(qū)的 FFT，在納米晶相中表現(xiàn)出位錯和晶格畸變

圖 21。局部罐裝壓縮下 NiTi 試樣納米化和非晶化的微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖

圖 22。超聲納米晶體表面改性（UNSM）處理后 NiTi 形狀記憶合金表面或附近的 TEM 圖像。（a）頂面低倍率圖像；可以看出一點反差。（b）具有相應(yīng) FFT 圖案的頂面高分辨率圖像；沒有觀察到長程秩序。（c）明場 TEM 圖像和表面以下 4 µm 處的相應(yīng)衍射圖案；在表面以下 4 µm 處部分納米晶和部分非晶。（d）明場 TEM 圖像和表面以下 7 µm 處的相應(yīng)衍射圖案。納米晶性質(zhì)隨深度增加，在 7 µm 以下變?yōu)橥耆{米晶

圖 23。（a） NiTi 微柱塑性變形的 SEM 圖像，（b）局部剪切帶的 TEM 圖像，（c） TEM 圖像和（b）中綠框區(qū)域的 SADP，以及（d）納米晶 NiTi 微柱的塑性變形

圖 45。從 30 GPa 和 1200–1600 K 回收的金剛石樣品的HRTEM顯微照片。（a）–（f）、HRTEM 圖像和相應(yīng)的反 FFT 圖像。插圖是（a）、（c）和（e）中白框（7.0 × 7.0 nm 2 ）的 FFT 圖案。（d）和（f）中的青色和紅色圓圈顯示了一些MRO簇。在（f）中，由青色和紅色實線標記的晶格條紋與立方和六角形金剛石的（111）和（100）晶面相匹配。（g）和（h）是（f）中紅色和青色框（2.0 × 2.0 nm 2 ）的 FFT 圖案。這些由箭頭標記的漫射光暈上的較亮點證實了（f） [93]中的立方和六邊形鉆石狀 MRO 簇。

圖 56。（a）低放大倍率和（b）由彎曲非晶金屬引起的剪切帶區(qū)域的HRTEM顯微照片。（c） FFT 模式。（d）與（c）相同的圖像，黑點對應(yīng)于（c）中的白色區(qū)域，表示自由體積過多的區(qū)域。自由體積優(yōu)先積累，并且在剪切帶內(nèi)觀察到納米空隙

盡管已通過不同方式在各種材料中觀察到它，但機械變形引起的非晶化仍是一個仍處于早期階段的研究領(lǐng)域。我們?yōu)檫@個新興且令人興奮的材料科學(xué)分支列出了一些未來方向：

（1）在更廣泛的材料范圍內(nèi)推廣變形引起的非晶化，尤其是金屬性質(zhì)的材料。

（2）將非晶化作為一種額外的變形機制考慮在內(nèi)，了解非晶化對塑性流動的影響，并將其納入本構(gòu)模型，尤其是極端狀態(tài)下的材料。

（3）探索機械變形產(chǎn)生的非晶材料的物理-化學(xué)-機械性能，并將其與常規(guī)熔化和淬火工藝產(chǎn)生的材料進行比較。將這些性質(zhì)與非晶相的代表性結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，尤其是短程和中程有序、結(jié)構(gòu)基序和局部對稱性。

（4）發(fā)展了一個嚴格而普遍的變形誘導(dǎo)非晶化理論。該理論應(yīng)該捕捉現(xiàn)象的物理圖景并預(yù)測閾值。非晶化的動力學(xué)應(yīng)該得到更多的關(guān)注。非晶化是應(yīng)變誘導(dǎo)的還是應(yīng)力輔助的過程需要澄清。

（5）揭示新形成的無定形材料的變形機制。它如何適應(yīng)多晶材料的塑性變形仍然未知。是否存在密度驅(qū)動的無定形到無定形相變以及它們?nèi)绾芜M行仍然存在爭議。