块体非晶合金（BMG）以其高强度（最高可达6 GPa以上）而闻名，但在低温或高应变率下塑性较差，难以加工，严重制约了该类材料的广泛应用。虽然个别成分可以实现热塑性加工，然而该成型方式需要在玻璃转变温度（Tg）以上进行，合金成分的选择极为有限，且高温下容易使非晶合金发生晶化破坏。因此，实现非晶合金的室温快速加工成型，对于该类具有优异性能的材料具有十分重要的实际意义。
成果简介
近日，深圳大学与香港城市大学、中科院力学所、中科院物理所以及松山湖材料实验室等单位合作，发现块体非晶合金在受到高频超声加载（20000 Hz）作用时，在远低于其屈服强度（约35 MPa）、远低于玻璃转变温度（接近室温）时就可以在几秒之内迅速产生均匀的塑性流变，称之为超声塑性。非晶合金的这种近室温下的低应力超快塑性变形现象与之前认知的力塑性和热塑性有显著不同。研究人员通过纳米力学表征和分子动力学模拟发现超声塑性是由于非晶合金中的动态非均匀性和循环诱导的原子尺度膨胀，从而导致非晶内部类固态区域的结构变化和最终崩塌，进而表现出类液体的流动变形行为。基于超声塑性现象，研究人员开发了快速、简便而又低成本且多体系普适的非晶合金成型方法——超声塑性成型（UPF），实现了块体非晶合金在室温下像传统金属一样进行焊接、挤出、冲压以及冲孔等加工成型，减少了非晶合金在加工过程中可能出现的晶化及氧化危险，为非晶合金的大尺寸化及复杂成型应用提供了新的思路及途径。
图文导读
超声塑性动态图片展示
图1非晶合金的超声塑性：（a）实验装置简图；（b）超声波振动过程中冲头的位移曲线；（c）超声塑性加工前后样品的比较图；（d）不同体系非晶合金的应变-时间曲线；（e）不同体系非晶合金超声过程中温度变化图（高频热电偶监测）；（f）超声振动过程中样品的热成像图像；（g）超声塑性变形引起的独特褶皱结构；（h）超声塑性与力塑性、热塑性在变形图中的区别。
图2 不同条件下非晶合金的力学与结构表征：（a）极限温度增量关于频率和激活能函数的等高线图；（b）非晶样品表面的动态模量图谱（比例尺=100 nm）；（c）基于（b）图的模量分布图；（d）超声塑性、热塑性和原始样品的DSC对比；（e）非晶合金的高分辨率透射电镜（HRTEM）图和相应的选区衍射图（SDAP）；（f）SDAP中获得的电子衍射强度分布图及相应的平均原子间距。
图3 分子动力学模拟：（a-d）应力应变曲线，势能，模量，拉伸峰值应力随循环次数的变化曲线；（e-f）原始样品和循环变形样品中活化能的等高线图；（g）活化能谱图. （h-i）原子尺度体积应变、剪切应变及其比值随循环次数的变化；（j-k） 原子体积应变和剪切应变的空间自关联函数；（l）关联长度随循环数的变化。
图4 基于超声塑性的块体非晶成型：（a）厚度大于1mm的块体非晶合金超声修缘；（b）具有精细转子结构的非晶合金冲压；（c）超声焊接制造大尺寸块体非晶合金；（d）瞬时超声辅助挤出成形的外螺纹；（e）厚度大于1 mm的块体非晶合金冲孔，左边是有孔的穿孔板，右边是原始板。所有超声加工成型均在室温下进行。（比例尺：5mm）
文章总结
相关成果“Ultrasonic plasticity of Metallic Glass near Room Temperature”发表于《Applied Materials Today》（Applied Materials Today，21 (2020) 100866）。硕士生李信、特别研究助理魏丹、博士生张靖扬为论文共同第一作者，深圳大学马将研究员、香港城大杨勇教授和中科院力学所王云江教授为共同通讯作者。该工作获得了广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302010）、国家重点研发计划（2018YFA0703604）、国家自然科学基金委项目（51871157、11672299）、深圳市自然科学基金（JCYJ2017041211216258）、中国科学院青年创新促进会（2017025）、香港政府研究资助委员会（GRUY11213118、CITYY1120719和CITYY11209317）等的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100866
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