金属材料与人类万年文明发展史息息相关，金属材料的开发和使用，往往成为划分人类不同文明时代的里程碑，如青铜时代、铁器时代、钢铁时代等。每次金属材料的发展都会极大地推动人类社会文明和生产力的巨大进步。近日，乔珺威教授团队在《材料科学工程A》刊发论文《在纳米压痕中通过统计应用冷热循环方法得出块状非晶合金最大剪切应力临界值的准则》，太原理工大学研究生张浩为论文第一作者。

什么是非晶合金？

非晶合金是近几十年来通过现代冶金新技术——快速凝固技术和熵调控理念——抑制合金熔体原子的结晶，保持和调控熔体无序结构特征而得到的一类新型金属材料，也称金属玻璃，或液态金属。这种材料是通过调制材料结构“序”或“熵”这一全新途径和理念而合成的，兼具玻璃、金属、固体、液体等物质特性的新金属材料；其颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路，突破金属材料原子结构有序的固有概念，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度，改变了古老金属结构材料的面貌。非晶、高熵等无序合金在基础研究和技术应用中已表现出重要意义和战略价值，在能源、信息、环保节能、航空航天、医疗卫生和国防等高新技术领域发挥着愈加重要作用。无序合金领域的基础研究将继续推动材料科技革命和对材料行为的更深入理解，并能产生新的材料设备和系统。

块体非晶合金

目前，已经开发问世的块体非晶合金产品类型主要有铁基、镁基、镧基、锆基、钯基、钛基、钴基、钕铁基、镨铁基、钐铁基等。块体非晶合金可用作结构材料、连接材料、工具材料、模具材料、耐蚀材料、耐磨材料、抗冲击材料、软磁材料、磁致伸缩材料等，广泛应用在消费电子、医疗器械、航空航天等领域，凭借高强度优点，其在航空航天市场中极具竞争力。

块体非晶合金制备方法主要有直接凝固法与粉末固结法两种。直接凝固法主要包括水淬法、铜模铸造法、高压铸造法、喷铸-吸铸法等；粉末固结法主要包括热压法、热挤压法、放电等离子烧结法等。直接凝固法是利用合金熔体来制备块体，粉末固结法是利用非晶合金粉末来制备块体。对比来看，粉末固结法工艺难度相对较低，可制备大尺寸、形状复杂的块体非晶合金，发展潜力较大。

忽冷忽热下，块状非晶合金在悄悄“进化”

2021年，一款用于拔插SIM卡的苹果取卡针在苹果官网上架，高达60块钱的售价引发网友吐槽。实际上，最近几代的苹果手机的取卡针的针头并非普通不锈钢，而是锆基非晶合金，相比之前的材质更加坚硬、有韧性。这种材质正是材料界炙手可热的非晶合金的一员，具有种高弹性，高硬度，较高断裂韧性等特殊性能，这也是太原理工大学材料科学与工程学院乔珺威教授团队一直研究的新型高端材料。

近日，乔珺威教授团队在《材料科学工程A》刊发论文《在纳米压痕中通过统计应用冷热循环方法得出块状非晶合金最大剪切应力临界值的准则》，太原理工大学研究生张浩为论文第一作者。

非晶合金具有长程无序的原子结构，具有较强的耐腐蚀性，极高的强度、硬度和断裂韧性，和优良的弹性极限。在电动汽车的传感器、滤波器，牙齿骨骼的填充物、钻具耐磨带等领域都有所应用。

非晶合金有块体非晶、非晶粉末、非晶薄带三种形式。乔珺威教授团队研究的是块体非晶合金，由于塑性变形被严重局限在只有纳米厚度的剪切带内，通过各种方法改善其塑性，更好地满足应用需求，是科学家们在实验室中追求的目标。

弹性很强的非晶合金，类似于脆性玻璃，材料发生灾难性断裂时，相切与断裂面，这项研究的价值之一就在于通过统计的方法得出了最大剪切应力的临界值，而且该方法适用于计算绝大部分非晶材料。

针对实验过程，张浩介绍道，我们把一种锆基非晶合金进行冷热循环处理，并使用纳米压痕表征手段，拥有了大量数据，再结合平均场理论，得出一个最大剪切应力临界阈值判定准则，并提出了该准则的三个适用条件。

张浩对该锆基非晶合金行了100次和400次冷热循环实验，把材料悬垂在沸水里一分钟、再到液氮里浸泡一分钟，就是一个循环，“这种方法被证实确实可以改善非晶合金的塑性，提升非晶合金的性能。”

除了冷热循环，张浩还对铸态非晶合金进行纳米压痕实验，这是普遍流行的一种微观力学行为检测手段，通过记录连续的载荷-位移曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量、屈服应力等指标，取得宏观力学、微观力学相对应的效果。两者结合，通过统计分析的方法得出非晶合金的活化体积等，并应用平均场理论分析得出最大剪切应力临界值的准则。

张浩说，我们的创新点就在于把冷热循环、纳米压痕、平均场理论三种方法进行结合，得出了几乎适用于所有非晶合金的准则，并提出了该准则的三个适用条件，最大剪切应力临界阈值判据公式适用于块体非晶合金不适用于薄膜非晶合金，纳米压痕测试是力控制而不是位移控制，求活化体积时的非线性行为用一阶多项式。

这项研究可以理解为非晶合金研究的“高熵化”，首次聚合这几种研究方法。乔珺威教授表示，这项研究为理解非晶合金力学行为随外部条件的演化提供了新的视角，帮助后来者揭示非晶合金力学性能演化与微观结构之间的关联。

文章来源： 中国科学报 ，科学参考，新思界网