近日，公司材料科学系杨亮课题组以南航为第一单位做出系列工作，在材料（固体）力学顶刊《International Journal of Plasticity》（影响因子9.8）上连续发表两篇重要科研论文。该系列工作主要针对非晶合金这种新型材料的应用瓶颈问题之一：如何促使其具有更为全面优异的力学性能。研究成果为“Structural mechanisms of enhanced mechanical property in cryogenic ZrCu metallic glasses”和“A scheme for achieving strength-ductility trade-off in metallic glasses”。论文相关链接分别参见：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103680;
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103734.
第一项工作在“非晶合金低温反向增韧”取得重要研究进展。杨亮课题组博士生李明飞和硕士生周彦华为并列第一作者。随着科技迅猛发展，许多实际应用已扩展到低温及超低温环境。例如，航天及星表环境经常遭遇极低温度。常规晶体合金材料在极端低温环境中，其性能主要表现为强度增加而塑性降低，甚至出现冷脆。非晶合金作为新型合金，实验发现其低温耐磨性明显高于常规合金，且发生明显的反向增韧现象，使得强度和塑性同时增强，从而改善其力学性能。因此美国NASA已在航天器用结构材料中多次使用非晶合金。但目前为止仍未彻底揭示该现象的机制机理。
本工作通过分子动力学模拟了Zr2Cu非晶合金在低温环境中的拉伸变形行为，从自由体积、原子堆积效率、原子剪切应变、原子势能、剪切转变区（STZ）、剪切带等多个角度分析了温度降低对非晶合金微观结构及变形行为的作用机制，从而解释了非晶的低温反向增韧机理。
作者发现随着温度降低，非晶模型的机械性能参数均有提高，如图1所示，印证了实验观察的非晶合金低温反向增韧现象。
图1 （a）不同温度模型的应力应变曲线，（b）以300K模型的应力应变曲线为例定义力学参数。
通过原子剪切应变深入分析了非晶合金在变形过程中STZ以及剪切带在不同温度中的响应机制，参见图2。总结，低温诱导微观结构和能量的变化，导致延迟STZ的萌生并阻碍了剪切带的形核，是非晶合金低温增韧的最根本原因。
图2 不同温度模型的原子剪切应变的演变
第二项工作在“非晶合金的强度/延展性平衡”取得重要研究进展。杨亮课题组博士生李明飞为第一作者。长期以来研究者致力于研发高性能结构材料，即材料兼具出色的强度和延展性（双高问题），从而满足航空航天、核电、轨道交通等领域的广泛应用需求。但是由于晶体材料变形机制的固有限制，在提高材料强度的时候往往伴随塑性的降级。尽管研究人员发展了多种方法以实现强度与塑性的平衡，比如调控晶体中的晶粒、位错、晶界等，但在晶体材料中探究具有超高强度的同时兼备优良塑性的结构材料仍是难点问题。非晶合金作为无序态合金材料，与晶态合金相比具有更高的强度、硬度、热稳定性和耐腐蚀性，被认为是潜在的结构功能材料。目前制备态非晶合金通常塑性欠佳，因此非常有必要探索强度和塑性优良或达到平衡的非晶合金材料或研究策略。
本工作针对非晶合金的强度/延展性平衡问题提出新的研究策略。作者通过分子动力学模拟Zr2Cu非晶合金的压缩变形行为，研究不同模型机械性能与结构、能量的关系，并阐释了非晶合金强度和延展性的平衡机理。
通过构建U型缺口实现模型缺口前端结构的均匀变形，从而诱导模型的结构回春（图3）。随后对回春态模型进行循环应力加载处理，进一步调控非晶的结构与能量，从而实现非晶合金强度和延展性平衡。
图3 回春态模型构建示意图
如图4所示，发现回春态模型表现出显著应变软化并伴随最高强度下降和塑性提升。而回春态模型在经历了循环应力加载过程后，呈现出完全相反的表现，即显著的应变硬化并伴随强度提升和塑性下降。相对于制备态模型，回春/循环加载两步法获得的模型塑性得以显著改善，且强度增加，实现了强度和延展性的平衡，即力学性能全面改善。
图4 不同状态非晶模型的应力应变曲线
为厘清不同模型机械性能差异的原因，文章分析了模型结构和能量变化对非晶变形行为的影响。如图5所示，以结合结构回春和循环应力加载的两步法为例，发现只要能调控非晶的能量状态（先增加再降低）以及自由体积和软区的不均匀性（先集中再分散），即可实现非晶强度/延展性平衡。这种策略为实验调控非晶强度/延展性的平衡性提供了重要依据。
图5 （a）回春态模型和循环应力加载模型的能量变化示意图，（b）两步法调控模型中软区分布的示意图，红圈标注的区域为软区
作者简介：杨亮，教授、博士生导师。研究领域为非晶合金、高熵合金、纳米合金等新型金属材料，开发多种块体、条带、涂层材料，关注新金属材料在核电、海洋、航天等苛刻环境中的应用，擅长利用同步辐射技术和模拟计算手段研究材料的结构和性能关联性。承担包括国家自科基金项目在内的多项国家和省部级科研项目，获省部级二等奖1项；在Physical Review Letters、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Physical Review B、Applied Physics Letters、Scripta Materialia、Materials&Design 等材料、物理和力学类著名期刊发表科研论文。
邮箱：yangliang@nuaa.edu.cn
