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塊體非晶合金（BMG）以其高強(qiáng)度（最高可達(dá)6 GPa以上）而聞名，但在低溫或高應(yīng)變率下塑性較差，難以加工，嚴(yán)重制約了該類材料的廣泛應(yīng)用。雖然個(gè)別成分可以實(shí)現(xiàn)熱塑性加工，然而該成型方式需要在玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上進(jìn)行，合金成分的選擇極為有限，且高溫下容易使非晶合金發(fā)生晶化破壞。因此，實(shí)現(xiàn)非晶合金的室溫快速加工成型，對(duì)于該類具有優(yōu)異性能的材料具有十分重要的實(shí)際意義。

近日，深圳大學(xué)與香港城市大學(xué)、中科院力學(xué)所、中科院物理所以及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等單位合作，發(fā)現(xiàn)塊體非晶合金在受到高頻超聲加載（20000 Hz）作用時(shí)，在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度（約35 MPa）、遠(yuǎn)低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度（接近室溫）時(shí)就可以在幾秒之內(nèi)迅速產(chǎn)生均勻的塑性流變，稱之為超聲塑性。相關(guān)成果“Ultrasonic plasticity of Metallic Glass near Room Temperature”發(fā)表于Applied Materials Today。碩士生李信、特別研究助理魏丹、博士生張靖揚(yáng)為論文共同第一作者，深圳大學(xué)馬將研究員、香港城大楊勇教授和中科院力學(xué)所王云江教授為共同通訊作者。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100866

非晶合金的這種近室溫下的低應(yīng)力超快塑性變形現(xiàn)象與之前認(rèn)知的常規(guī)塑性和熱塑性有顯著不同。研究人員通過納米力學(xué)表征和分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)超聲塑性是由于非晶合金中的動(dòng)態(tài)非均勻性和循環(huán)誘導(dǎo)的原子尺度膨脹，從而導(dǎo)致非晶內(nèi)部類固態(tài)區(qū)域的結(jié)構(gòu)變化和最終崩塌，進(jìn)而表現(xiàn)出類液體的流動(dòng)變形行為?；诔曀苄袁F(xiàn)象，研究人員開發(fā)了快速、簡便而又低成本且多體系普適的非晶合金成型方法——超聲塑性成型（UPF），實(shí)現(xiàn)了塊體非晶合金在室溫下像傳統(tǒng)金屬一樣進(jìn)行焊接、擠出、沖壓以及沖孔等加工成型，減少了非晶合金在加工過程中可能出現(xiàn)的晶化及氧化危險(xiǎn)，為非晶合金的大尺寸化及復(fù)雜成型應(yīng)用提供了新的思路及途徑。

圖1非晶合金的超聲塑性：（a）實(shí)驗(yàn)裝置簡圖；（b）超聲波振動(dòng)過程中沖頭的位移曲線；（c）超聲塑性加工前后樣品的比較圖；（d）不同體系非晶合金的應(yīng)變-時(shí)間曲線；（e）不同體系非晶合金超聲過程中溫度變化圖（高頻熱電偶監(jiān)測(cè)）；（f）超聲振動(dòng)過程中樣品的熱成像圖像；（g）超聲塑性變形引起的獨(dú)特褶皺結(jié)構(gòu)；（h）超聲塑性與常規(guī)塑性、熱塑性在應(yīng)力-溫度圖中的區(qū)別。

圖2不同條件下非晶合金的力學(xué)與結(jié)構(gòu)表征：（a）極限溫度增量關(guān)于頻率和激活能函數(shù)的等高線圖；（b）非晶樣品表面的動(dòng)態(tài)模量圖譜（比例尺=100 nm）；（c）基于（b）圖的模量分布圖；（d）超聲塑性、熱塑性和原始樣品的DSC對(duì)比；（e）非晶合金的高分辨率透射電鏡（HRTEM）圖和相應(yīng)的選區(qū)衍射圖（SDAP）；（f）SDAP中獲得的電子衍射強(qiáng)度分布圖及相應(yīng)的平均原子間距。

圖3分子動(dòng)力學(xué)模擬：（a-d）應(yīng)力應(yīng)變曲線，勢(shì)能，模量，拉伸峰值應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線；（e-f）原始樣品和循環(huán)變形樣品中活化能的等高線圖；（g）活化能譜圖. （h-i）原子尺度體積應(yīng)變、剪切應(yīng)變及其比值隨循環(huán)次數(shù)的變化；（j-k） 原子體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變的空間自關(guān)聯(lián)函數(shù)；（l）關(guān)聯(lián)長度隨循環(huán)數(shù)的變化。

圖4基于超聲塑性的塊體非晶成型：（a）厚度大于1mm的塊體非晶合金超聲修緣；（b）超聲沖壓制備具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的非晶合金轉(zhuǎn)子；（c）超聲焊接制備大尺寸塊體非晶合金；（d）瞬時(shí)超聲輔助擠出成形的外螺紋；（e）厚度大于1 mm的塊體非晶合金沖孔，左邊是有孔的穿孔板，右邊是原始板。所有超聲加工成型均在室溫下進(jìn)行。（比例尺：5mm）

該工作獲得了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（2019B030302010）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703604）、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（51871157、11672299）、深圳市自然科學(xué)基金（JCYJ2017041211216258）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2017025）、香港政府研究資助委員會(huì)（GRUY11213118、CITYY1120719和CITYY11209317）等的支持。