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新金属材料国家重点实验室在块体非晶复合材料研究方面取得突破

作者:材料国重 | 来源:本站原创 | 更新时间:2016-07-20 | 点击数:

非晶合金又称金属玻璃,兼有金属和玻璃、固体和液体的特性。非晶合金在特定温度下可以像玻璃一样任意流动,自我修复。好莱坞科幻电影《终结者》中由液态金属制成的未来战士被击碎后,仍能够像液体一样,通过流动自我修复。这位未来战士的神奇特性在现实生活中对应的材料,就是非晶合金。然而,非晶合金又是名副其实的金属材料,是材料界众多“纪录的保持者”,长程无序结构赋予了非晶合金独特的力学,化学和物理性能,这使得非晶合金成为二十一世纪最有前景的材料之一。但是,非晶合金也有一颗玻璃心,室温脆性和应变软化成为非晶合金作为结构材料的致命弱点。

2010年,北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授和吴渊副教授将相变诱导塑性(Transformation induced plasticity-TRIP)的概念引入非晶合金材料,成功地制备出具有拉伸塑性和加工硬化能力的相变诱导塑性非晶复合材料

(Y. Wu, et al. Advanced Materials, 2010, 22, 2770)。Nature出版集团-亚洲材料(Nature-Aisa Materials)将此研究成果评为研究热点,认为该进展“为在其它合金体系中开发大韧塑性非晶合金材料提供了一种新的思路,并对非晶态合金材料的实际工程应用起到极大的促进作用

”。另一著名学术期刊科学杂志(Science)也对此研究进行了专门报道和评述,认为这“极大提升了非晶合金的潜在结构应用,并开辟了一个新的科学研究方向”。同时,吕昭平教授和吴渊副教授还在此基础上通过在非晶合金复合材料中调整内生奥氏体型析出相的层错能,优化其孪晶及马氏体相变过程,进而提高了非晶合金复合材料的力学性能,为该类材料性能优化提供理论指导(Y. Wu, et al. Physical Review Letters, 2012, 109, 245506)。

然而,当时研发出的此类TRIP韧塑化非晶复合材料尺寸较小,不能满足工程应用的需求。因此,实际工程应用迫切需要开发大尺寸、具有优异拉伸性能和显著加工硬化能力的非晶复合材料。但是,制备大尺寸TRIP韧塑化非晶复合材料绝非易事。随着尺寸的增大,冷却速度快速降低,会带来多方面的挑战。首先,要求合金具有优异的非晶形成能力,而提高非晶形成能力即意味着抑制奥氏体型 晶相析出;其次,析出的晶体相应为相变诱导塑性奥氏体相,而非其它脆性金属间化合物,而目前所开发体系中的过冷奥氏体相多为亚温相,尺寸变大/冷却速度降低时易分解成为脆性相。另外,为了获得优异的力学性能,晶体相应当具有合适的形貌特征(尺寸,分布,体积分数),而原位析出相通常会随着冷却速度的降低快速联结长大,形成不均匀分布。并且,通过合金化方法调控晶体相特征的同时,合金元素不能显著影响奥氏体型晶相的相变能力。

最近,北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授课题组将传统凝固中的异质形核思想应用到大尺寸非晶复合材料的开发中。通过设计微合金化方案,在提高合金非晶形成能力的同时,与主元素反应形成高熔点金属间化合物相,并调配其与奥氏体型晶相的晶格错配度,以此调控奥氏体型晶相的形核与长大,从而达到调控晶体相特征的目的,成功地开发了厘米级的具有优异拉伸性能和加工硬化能力的TRIP韧塑化非晶复合材料(W. L. Song, et al. Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201601954)。该研究中所涉及到的相变诱导塑性相和形核剂界面的精细表征工作得到了重庆大学陈厚文博士和中科院生物物理所郭振玺博士的大力支持。

北京科技大学新金属材料国家重点实验室将继续为开发大尺寸、优异性能的先进非晶材料努力,为非晶材料的工程应用开发拓宽道路。

该研究得到国家自然基金委重点基金项目(No. 51531001)和“优青”项目(No. 51422101)支持。


(责编:董强)