原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 28 November 2019; 

online 23 December 2019

如何实现大尺寸范围的结构和性能的调控是改善非晶合金这类材料塑性的关键，也是材料科学和凝聚态物理领域面临的一个挑战。本文通过纳米压痕手段首次揭示了在微米尺度，非晶合金丝的模量和硬度可以明显软化，且表现出明显尺寸效应，最大的软化程度可分别达26%和17%。这种性能的大范围调控在物理上主要和将流动变形冻结在受限体积所导致高能量效应有关，并被随后的热分析实验证实。该结果首次展示了通过温度、流变应力和尺寸的合理结合实现非晶合金结构和性能的大幅度调控的可能性，对认识玻璃物质的亚稳态物理本质具有重要意义。

由于非晶合金具有复杂无序的原子结构，其形变机制仍不清楚，这也为调控其力学性能带来极大困难。另一方面，非晶合金在能量上处于亚稳态，其内部能量具有很宽的变化范围，又为通过调控能量的方式来调控其力学性能提供了可能。类似于聚合物，非晶合金的亚稳态结构会随着时间向稳态弛豫 (aging)，并随着温度的升高而加快。结构弛豫造成了非晶合金的脆化，严重制约了其工程应用。但是近来研究发现，在热力耦合作用下，例如通过高温蠕变处理后快速冷却，老化的非晶合金可以发生明显的回复 (rejuvenation)。这种rejuvenation来自于力的作用。虽然在高温下非晶合金的结构弛豫会加快，但是力的作用会导致大规模的原子结构重排。通过迅速冷却冻结这些重排结构后，非晶合金会发生rejuvenation 。但目前报道的rejuventation过程中的非晶合金性能的调控幅度均非常小，一般在10%以内。非晶合金另一主要优点就是可以像玻璃一样被热塑加工成型，在此过程中，温度更高，材料发生流动，内部原子结构重排也更加剧烈。那么其性能会是怎样变化的呢？是弛豫还是回复？目前关于热塑变形对非晶合金力学性能影响的研究仍很少。

近日，中科院物理所孙保安副研究员、白海洋研究员和汪卫华院士领衔的科研团队通过热塑拉拔工艺将块体非晶合金棒材制成了微米尺寸的非晶合金丝，然后用纳米压痕技术在这些丝的横截面上测试了其力学性能，发现这些丝有明显的软化，模量和硬度降低，并随着尺寸的减小而减小。如图1所示。

图1. 热塑拉拔所制得的非晶合金丝以及纳米压痕实验对其力学性能的测试结果。

图2. 块体和非晶合金丝的DSC曲线对比和热塑成型对非晶合金丝影响的示意图。

研究团队通过差示扫描量热（DSC）分析，发现相比于块体棒材，这些非晶合金丝发生了明显的rejuvenation，弛豫焓增加，表现为DSC曲线上玻璃转变前放热峰的升高，如图2所示。在非晶合金丝的形成过程中，不同直径的丝，其变形程度不一样，越细的丝所经历的热塑变形越剧烈，结构重排也更剧烈。同时越细的丝冷却速率也越高，对重排结构的保留也越多，造成了其内部能量的升高 (rejuvenation)。这些均证明热塑成型过程能够影响非晶合金的力学性能。

本文研究表明，热力耦合作用对非晶合金的力学性能有重要影响。热塑拉拔可以使得非晶合金发生rejuvenation，改善其性能。同时，这也说明热塑成型后非晶合金的力学性能可以发生很大的改变，在实际工程应用中必须考虑其成型过程的影响。该结果也首先在物理上向人们展示了通过温度、应力和尺寸的合理结合，有可能实现非晶合金结构和性能的大幅度调控，从而为调控和设计非晶合金的性能提供了可能途径。

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