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75張圖！156篇文獻！北航&加州大學聯合發表重磅頂刊綜述：機械變形引起的非晶化！

2022-05-18 10:25:10 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

近日，材料領域頂級期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》在線發表了北京航空航天大學、美國加州大學聯合發表的長篇綜述“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。變形將缺陷引入結構，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。作者還關注非晶材料塑性變形的基本機制；這是一個密切相關的過程，在這個過程中，除了非晶化，變形還在新階段繼續進行。非晶化的觀察和分析得到了計算模擬的補充，這些模擬預測了機械誘導的非晶化過程并解決了這種轉變的機制。

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#!

晶體結構的非晶化是金屬、陶瓷和金屬間化合物中普遍存在的現象。盡管非晶相通常比其結晶相具有更高的吉布斯自由能，但有許多方法可以產生非晶化。從固體結晶相中產生無定形相的要求是將其自由能增加到能夠實現這種轉變的臨界水平以上。

在這篇綜述中，我們關注塑性變形非晶化的基本方面。這些是根據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。這種現象僅在一種純金屬中觀察到：準靜態壓縮的納米晶鎳。晶體通常被認為是通過晶格缺陷的產生和傳播而變形的。在形成納米級非晶區的有利條件下，該過程可導致納米級非晶化。

（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）等其他結構特征的相互作用會導致強化。通常，缺乏位錯可塑性會導致樣品脆性破壞。Ni-Zr、Ni 3 Al、爆炸焊接的 Ti/Ni 復合材料、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。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：

由于其開放結構和負克拉佩龍行為，共價材料也易于非晶化，并審查了以下系統：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非晶化現象。

（4）生物材料：

大自然在可用資源有限的受限環境下構建輕質、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合材料的一個例子。這種蝦已經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難性故障。通過在納米粒子結構的設計中實施非晶化，與具有非整合相的結構相比，剛度和強度顯著增加，從而導致更高的能量吸收。

圖 1。通過從頭算分子動力學模擬在各種金屬玻璃中發現的短程和中程有序的示例

圖 2。（a）一般比容與溫度的關系，顯示結晶和玻璃形成（冷卻時）以及結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系，顯示結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）中白盒區域的更高放大倍數。（c）（b）中白框區域的更高放大倍數。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。它可以代表最后一個階段，此時已經通過機械手段實現了非晶化。基本上有兩種理論可以預測這種變形的機制：自由體積理論和剪切轉變區理論。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、孿晶或相變區等晶體缺陷交叉處積累的大偏應力。偏應力的釋放可以抑制納米級裂紋的產生和擴展，否則會導致材料失效。因此，非晶相通常比其結晶相更硬，因為位錯不能在其中傳播，這使得這些材料在沖擊、穿透、保護和極端應變率條件等極端承載應用中具有競爭力。除了位錯介導的塑性、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應變速率下準靜態壓縮后型鍛CrMnFeCoNi HEA的復雜變形微觀結構。（a） TEM 明場圖像顯示高密度平面缺陷。（b）孿晶、hcp 相和非晶區的嚴重變形區域的HRTEM顯微照片，如圖所示。（c）孿生區域的近視圖（d） hcp 區域的近視圖，傅里葉變換濾波以最大化相位對比度。（e）在 hcp 和孿晶區域的交叉處形成的非晶區域的近視圖

圖 12。CrMnFeCoNi HEA 在動態壓縮/剪切后的復雜變形微觀結構。（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 結構的存在。（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）中的紅框區域）和相應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中的保留納米晶相；（d）（c）中 D 區的 FFT 揭示了無定形性質；（e）（c）中 E 區的 FFT，顯示非晶相和納米晶相共存；（f）（c）中 F 區的 FFT，在納米晶相中表現出位錯和晶格畸變

圖 21。局部罐裝壓縮下 NiTi 試樣納米化和非晶化的微觀結構演變示意圖

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 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 處的相應衍射圖案。納米晶性質隨深度增加，在 7 µm 以下變為完全納米晶

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。