摘要：非晶合金因其无序的原子结构而展现出卓越的力学性能(如高强度和高弹性极限等)，但其在室温下的拉伸塑性非常有限，为准脆性材料，这极大地限制了其作为结构材料的广泛应用。近年来，研究者们致力于通过引入异质结构来调控非晶合金的剪切带行为以提高其宏观塑性变形能力。离子辐照
背景介绍
非晶合金因其无序的原子结构而展现出卓越的力学性能(如高强度和高弹性极限等)，但其在室温下的拉伸塑性非常有限，为准脆性材料，这极大地限制了其作为结构材料的广泛应用。近年来，研究者们致力于通过引入异质结构来调控非晶合金的剪切带行为以提高其宏观塑性变形能力。离子辐照被认为是一种可通过诱导梯度结构来改善非晶合金的塑性的有效方法，这种结构通过改变自由体积分布进而有效阻碍剪切带的传播并促进大量细小剪切带的形成和分支，从而显著提高材料的塑性。
基于上述背景，为进一步探究离子辐照对非晶微丝的结构调控及力学行为影响机制，哈尔滨工业大学宁志良教授和黄永江教授团队与韩国首尔国立大学Eun Soo Park教授、奥地利科学院Daniel Sopu博士、上海大学黄波副研究员合作，以Cu48Zr48Al4非晶微丝为模型材料，对非晶微丝进行不同剂量的离子辐照，系统探究了离子辐照处理对非晶微丝宏观拉伸力学行为的影响机制。研究发现，离子辐照诱导非晶微丝表面产生了约1.76 μm的非线性自由体积梯度结构，显著提高了其宏观拉伸塑性(达2.97%)。相关论文以题为“Tensile plasticity in amorphous microwires: The role of ion irradiation-induced gradient rejuvenation”刊登在国际顶级期刊International Journal of Plasticity上。
非晶合金微丝的制备。熔体抽拉工艺制备非晶合金微丝示意图
非晶合金微丝结构表征与模拟。(a) 制备态及离子辐照非晶微丝X射线衍射图谱。(b) H+离子辐照后非晶微丝表层空位分布。
非晶微丝的同步辐射X射线nano-CT测试。(a) nano-CT检测和重建三维结构成像原理；(b) 在制备态和离子辐照后三维重建样品及表面区域的二维结构灰度图；(c) 图(b)中虚线处灰度平均值；(d) 根据nano-CT结果计算的局域密度值。
离子辐照态非晶微丝的有序度分析。(a)类晶体序和(b)类液体序的高分辨透射电镜(HRTEM)自相关图像及其相应的快速傅里叶变换(FFT)模式。(c)从表面到内部的有序度和局部密度。HRTEM图像中的红色矩形反映类晶体序，黄色星形的位置反映有序度，蓝色线反映距离微丝表面各深度的局部密度。(d)有序度与局部密度的定量关系。
非晶微丝的纳米压痕测试。(a)测试位置示意图。(b)非晶微丝横截面纳米压痕点的扫描电镜(SEM)图像。(c) (b)中黄色矩形纳米压痕的放大图像。(d)不同位置纳米硬度值。插图为不同离子剂量辐照前后非晶微丝内部和表面纳米硬度的变化趋势。(e)不同位置模量值。插图为不同离子剂量辐照前后非晶微丝内部和表面模量的变化趋势。
非晶微丝最大剪切应力的统计分布。(a)内部区域和(b)表面区域的第一次位移突进(pop-in)事件最大剪切应力的变化。(c)内部区域和(d)表面区域最大剪切应力的累积概率分布。(e)内部区域和(f)表面区域的最大剪应力的值与ln[ln(1-f)-1](f为累积概率分布函数)的统计拟合。
非晶微丝的激活体积与剪切转变区(STZ)计算值。(a)内部区域和(b)表面区域的激活体积范围。(c)内部和表面区域第一个pop-in的激活体积，不同非晶微丝样品的STZ体积，以及一个STZ内的原子数。
非晶微丝表面2 μm深度内的纳米力学性能变化。(a)纳米硬度。(b)模量。
制备态和离子辐照后非晶微丝的宏观拉伸力学行为。(a)拉伸应力-应变曲线。(b)不同断裂应力值的非晶微丝断裂面SEM图像。(c)断裂强度、屈服强度和塑性应变随剪切偏移区面积的变化趋势。(d)断口侧面的SEM图像。
制备态(上)和辐照态(下)非晶微丝的塑性变形过程。(a)弹性变形阶段。(b)屈服阶段。(c)塑性变形阶段。(d) (c)中红色矩形的放大图，显示了剪切带在2 μm厚度的表层内的传播。
全文总结
本研究通过离子辐照在非晶微丝表面引入了厚度约为1.76 μm的非线性自由体积梯度结构，显著提高了其拉伸塑性，同时保持了较高的屈服强度。具体结论如下：
力学性能提升：非晶微丝的拉伸塑性从制备态的0%提高到离子辐照态的2.97%，此外，离子辐照态微丝的屈服强度最高达1680 MPa，抗拉强度达1751 MPa。这表明，通过离子辐照诱导的梯度非晶化结构可在不显著降低强度的情况下，大幅度提高其宏观拉伸塑性。
表面软化效应：离子辐照导致非晶微丝表面区域出现软化效应，自由体积增加，导致STZ更易于激活，从而促进了大量细小剪切带的形成和分支。这种结构变化使得非晶微丝表现出高的拉伸塑性变形能力。
剪切带动力学调控：非线性梯度非晶化结构中的自由体积梯度界面显著阻碍了主剪切带的快速传播，同时细小剪切带在梯度层内发生多次偏转和相互作用，进一步提高了宏观拉伸塑性。
残余应力的影响：离子辐照导致非晶微丝内部形成梯度残余应力，显著提高了原子迁移率，从而增强了宏观塑性变形能力。
本研究不仅揭示了具有离子辐照诱导的梯度结构的非晶微丝拉伸变形机制，亦为通过精确设计和调控表面梯度结构来优化非晶合金的力学性能提供了新思路，为开发新一代高性能金属材料提供了重要的理论依据。
第一通讯单位作者简介
第一作者：苏爽，哈尔滨工业大学博士生，韩国首尔国立大学联合培养博士生。主要从事非晶合金及其复合材料的结构及力学性能调控和增材制造研究。以第一及共同作者在Acta Materialia，International Journal of Plasticity, Journal of Materials Science & Technology，Virtual and Physical Prototyping，Composites Part B: Engineering等国际著名学术期刊发表SCI收录论文10余篇，谷歌学术引用280余次。参与国家自然科学基金面上项目的研究工作，担任Journal of Materials Research and Technology等国内外重要学术期刊审稿人。
通讯作者：宁志良，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室教师。先后主持承担国家自然科学基金面上项目、国家部委基金项目、科技部国际合作项目、黑龙江省科技攻关重点项目。获得省部级科技进步二等奖三项，发表论文140余篇，其中SCI收录80余篇，申报国家发明专利70余项，授权40项。
通讯作者：黄永江，教授，工学博士，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料(包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、液态金属等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Additive Manufacturing，Materials Future，Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文230余篇，被Science等权威杂志引用6230次（单篇最高SCI引用290余次），ESI高被引3篇，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，1篇论文入选Journal of Materials Science & Technology封面论文，H因子40，申请国家发明专利82项，授权55项，担任6个国际期刊编委/青年编委。
来源：街拍美美哒一点号
