東南大學Intermetallics & J. Alloys Compd.丨鈀基非晶合金在超聲振動下的軟化流變行為

一、【導讀】

由于超聲應力軟化效應和表面快速擴散效應，超聲機械振動在金屬微成形工藝中得到了廣泛的應用。由于具有較高的本征塑性和泊松比，鈀基非晶合金是超聲輔助成型、壓印或冷焊接的潛在候選材料。然而，該合金在超聲輔助塑性變形過程中的軟化機理尚不清楚。近日，東南大學袁晨晨與深圳大學馬將等研究人員合作采用納米壓痕技術研究了超聲機械振動下Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金的塑性流變行為。研究發現，超聲振動后鈀基非晶合金體系的硬度和彈性模量分別下降了25%和40%，表現出明顯的軟化現象，這是由于循環機械振動過程中缺陷激活及低能量原子快速運動導致的。研究表明，具有較短特征弛豫時間的缺陷在非晶合金塑性流變過程中起著關鍵性作用。該研究工作揭示了高頻機械振動下非晶合金缺陷激活的內在機制。研究成果以《Softening in an ultrasonic-vibrated Pd-based metallic glass》為題發表于Intermetallics 144 (2022) 107527，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107527

東南大學研究團隊前期對Fe₆₆Tb₅B₂₃Nb₆非晶合金的納米壓痕蠕變行為的相關研究發現溫度場對非晶合金的塑性流變行為也具有類似的調控作用。該項研究指出具有較短特征弛豫時間的缺陷在非晶合金接近玻璃轉變溫度的粘塑性流動過程亦扮演了重要的角色，是導致非晶基體高溫軟化的主要原因，詳見J. Alloys Compd. 853(2021)157233，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157233

該系列研究工作得到國家自然科學基金（Grant Nos. 52071078, 51871157）、東南大學“至善學者”人才項目（Grant No. 2242021R41158）、江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目（Grant No. SJCX20_0038）、江蘇省先進金屬材料重點實驗室（Grant No. BM2007204）等項目的支持。

二、【成果掠影】

非晶合金具有極高的強度、硬度和優異的耐蝕性，作為新型結構功能材料在3D打印、成型、壓印等領域中具有潛在的應用前景。據報道，高頻機械振動是一種既經濟實惠又環境友好的微成型工藝，廣泛應用于非晶合金微小零件的加工成型。然而，非晶合金在超聲輔助塑性變形過程中軟化機制并不清楚。研究表明超聲振動可以有效降低非晶合金在過冷液相區的抵抗力，從而提高非晶合金的熱塑性成形能力，這與其在高頻循環加載過程中流動缺陷的激發有關。然而，目前還不清楚這些缺陷是如何在非晶基體中分布，它對變形機制的影響也尚未可知。納米壓痕技術是一種在微觀尺度上測定結構材料力學性能的有效方法，它能給出力學參量如硬度、彈性模量及與時間相關的力學響應如蠕變，很好地描述材料在非彈性變形過程中缺陷的產生或湮滅，同時不受樣品尺寸和形狀的限制。基于此，研究人員采用納米壓痕技術對Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金在20000 Hz 超聲頻率循環加載后的力學性能如硬度、模量和蠕變行為的演化機制進行了系統研究。

研究發現，在循環加載條件下，流動缺陷的激發將導致具有特征時間的結構弛豫。基于弛豫時間譜的分析表明，超聲振動后具有較短特征弛豫時間的缺陷濃度顯著增加，這與玻璃化轉變及晶化形核過程中原子擴散的激活能降低有關。該現象導致非晶合金基體發生局部塑性變形，使超聲振動后的樣品在粘塑性變形過程中表現出較大的蠕變位移。這最終導致體系硬度和彈性模量明顯降低。采用納米壓痕技術對鈀基非晶合金的機械軟化和缺陷激活行為進行系統研究有助于我們尋求超聲振動輔助成型、壓印過程中的非晶合金超塑性流動行為的結構起源。

三、【圖文解讀】

圖1 Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金在不同加載速率下蠕變位移曲線滯彈性部分的弛豫時間譜

圖2 Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金超聲振動前后缺陷分布示意圖

本文由作者供稿。