无序合金的序调控
2025, 74 (19): 196101.
doi: 10.7498/aps.74.20250845
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金属玻璃(MGs)的剪切带行为与其微观结构不均匀性密切相关. 传统分子动力学(MD)模拟因超快冷却速率导致MGs结构保留了更多液体特征, 而交换原子的蒙特卡罗(SMC)方法能够在模拟上制备出可匹配实验室时间冷却速度的低能态金属玻璃. 本文通过SMC结合MD方法, 构建软硬相分布可控的Cu50Zr50金属玻璃样品, 揭示纳米尺度结构不均匀性对剪切带萌生与扩展的调控机制. 由MD制备的软相中二十面体有序团簇含量较少, 优先激活塑性事件, 促进应力重新分布, 与邻近硬相一起响应对剪切带扩展起协同作用. MC制备的硬相区由于其高密度的二十面体团簇的含量, 使得应力局域集中, 形成窄剪切带. 通过调控硬相体积分数, 复合样品发生由韧到脆转变. 此外, 在保持硬相百分比不变的前提下, 不同序构策略可以改变非晶的力学行为: 离散硬相的分布能够增加样品的稳定性, 推迟剪切带的产生; 硬相包围软相的策略能够促进样品中产生二次剪切带, 使得剪切带区域相对非局域化. 该研究结果揭示了软硬区结构不均匀性对非晶合金力学性能的影响, 为采用序构方法设计金属玻璃力学性能提供了可能的理论指导.
2025, 74 (19): 196402.
doi: 10.7498/aps.74.20250889
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玻璃形成液体在温度变化过程中会表现出独特的动力学转变行为, 在降温过程中, 系统会经历从脆性液体到强性液体的转变, 称为强脆转变. 本研究以Fe-Zr-B-M四元体系为研究对象, 通过黏度实验揭示该体系存在显著的强脆转变行为, 并以晶化激活能作为评价指标, 建立Fe-Zr-B-M体系中强脆转变程度与玻璃形成能力之间的负相关性. 结果表明, 类晶团簇在Fe-Zr-B-M体系金属玻璃的凝固过程中起关键作用, 据此提出了基于二十面体团簇向类晶团簇结构转变的强脆转变机理, 并确立了混合焓和错配熵在调控Fe基非晶合金液体强脆转变过程中的重要作用.
2025, 74 (16): 166403.
doi: 10.7498/aps.74.20250513
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非晶态合金在非晶态形成过程中呈现出复杂的动力学行为, 理解非晶态合金及其过冷熔体的动力学规律是非晶态研究领域的重要内容. 从拓扑序的角度去重新审视非晶态系统的动力学行为为深入理解非晶态及非晶态转变的物理本质提供了一个全新的视角. 本文采用分子动力学模拟方法研究了CuZr合金熔体在非晶态转变中的微观动力学特征. 模拟发现, 在原子的位移矢量场中出现大量的涡旋结构, 涡旋形成率在非晶态转变温度附近出现不连续降低. 涡旋伴随着高应变事件的发生, 两者的形成率之间存在特征比值, 而在涡旋态转变前后该比值加倍. 分析认为, 观察到的涡旋态转变具有拓扑相变的特征, 即在非晶合金熔体的位移矢量场中存在拓扑相变. 涡旋及相伴产生的高应变事件与非晶合金熔体中的各种次级弛豫有着密切的关系. 本文为理解和揭示非晶态转变过程中复杂动力学行为的物理本质提供了一个新的切入点.
2025, 74 (16): 166402.
doi: 10.7498/aps.74.20250307
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高熵合金(HEAs)作为多主元合金的重要分支, 因其优异的力学性能与功能特性受到广泛关注. 本文聚焦含硅高熵合金中的有序-无序相变机制, 系统综述其热力学与动力学调控规律及其对材料性能的影响. 研究表明, 硅的引入通过优化原子尺寸匹配与混合焓, 实现高熵合金中有序相和无序相的匹配, 显著提升合金的机械以及物理化学性能. 同时, 制备工艺与温度/压力调控可通过影响相形成实现多相结构的协同强化. 通过成分设计与工艺优化, 含硅高熵材料在航空航天、能源及电子器件等领域展现出广阔应用潜力. 未来研究需进一步结合多尺度表征与理论模型, 揭示相变动态机制, 推动其工程化应用.
2025, 74 (16): 166104.
doi: 10.7498/aps.74.20250862
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非晶材料因其跨尺度结构均一性, 规避了传统晶体材料晶格缺陷敏感的固有特性, 在众多高技术领域具有不可替代的重要应用. 然而, 由于处于热力学非平衡态, 非晶材料会发生趋于平衡态的结构弛豫, 导致服役过程中的性能退化甚至失效. 此外, 非晶结构的无序性、复杂性伴随产生玻色峰与隧穿二能级系统等低能激发模式, 引发材料内耗与热噪声, 制约其在高端技术设备中的性能表现. 因此, 如何有效提升非晶材料的稳定性、抑制低能激发, 成为突破其性能极限的关键所在. 近年来研究发现, 基于材料表面动力学特性的原子级制造, 可成功制备超稳非晶材料, 实现对非晶材料微观结构、稳定性及低能激发进行常规方法难以企及的有效调控. 超稳非晶材料所具有的独特优势使其在引力波探测等尖端领域展现出巨大的应用潜力. 本文将深入探讨非晶材料中原子级制造的机理, 重点阐述超稳非晶材料相较于普通非晶材料的结构特征与性能优越性, 并展望原子级制造在非晶材料和物质领域未来的研究方向与发展趋势.
2025, 74 (16): 166102.
doi: 10.7498/aps.74.20250584
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非晶合金的原子排列没有长程周期性, 呈现出非晶态的结构特征. 其特殊的结构特征导致非晶合金的研究方法不同于传统的金属晶体材料, 主要集中在两个尺度: 一类在宏观尺度下通过合金设计、热力学参数等手段研究玻璃形成能力以及力学行为等; 另一类在原子尺度下通过计算模拟及衍射等手段研究非晶合金的中短程序等. 两类方法的尺度相差7个以上的数量级, 很难直接建立两者之间的定量关系, 亟需一个可以在介观尺度下将原子构型与宏观性能关联起来的结构特征. 随着非晶结构表征技术的发展, 非晶合金被发现在中短程序之上还存在纳、微米级别的空间非均匀性, 其尺度介于宏观尺度和原子尺度之间. 本文首先阐述非晶合金的中短程序及其局限性; 然后介绍空间非均匀性的实验表征, 并重点介绍电子显微表征方法以及局部原子构型, 讨论其作为非晶态结构特征与β弛豫行为、力学行为、热力学稳定性以及玻璃形成能力等宏观性能的内禀关联. 空间非均匀性作为非晶合金在介观尺度下的结构特征, 可成为关联非晶合金的原子中短程序与宏观性能的纽带.
2025, 74 (16): 166101.
doi: 10.7498/aps.74.20250563
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物理老化很大程度上限制了非晶合金工程应用, 力学激励是一种有效的调控非晶合金能量状态并克服此问题的手段. 本文以Pd20Pt20Cu20Ni20P20非晶合金为模型体系, 使用动态力学分析仪开展高温线性机械循环-回复实验, 基于两相Kelvin模型和特征时间连续谱, 探索了非晶合金机械循环过程中的变形特征及年轻化机制. 结果表明, 机械循环过程中应变和应变速率随机械循环强度提高而增加, 循环加载耗散分量在热力学能量转换中起主导作用. 提高机械循环强度可促进黏弹性变形, 激活非晶合金固有的缺陷, 增加动力学非均匀性, 导致非晶合金变形更倾向于流动的液体. 借助差示扫描量热仪建立了非晶合金变形和能量状态的内禀性关联, 机械循环过程中年轻化起源于黏弹性应变诱导吸热过程. 相较于传统蠕变变形, 机械循环具有更高的年轻化潜力. 该研究为高温流变调控非晶合金的能量状态提供了理论依据, 为进一步理解非晶合金序微观结构非均匀性和年轻化之间的关联提供新的思路.
2025, 74 (13): 138102.
doi: 10.7498/aps.74.20250518
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高熵合金纤维因其优异的力学性能和稳定性, 在高科技领域具有广阔的应用前景. 然而, 该类材料强塑性不匹配的问题制约了其进一步应用, 虽然热处理可以进一步优化其力学性能, 但传统热处理方法对时间和能源的消耗较高, 且难以精准调控材料的组织, 易导致晶粒粗化. 本文采用电流处理技术调制微米级(直径~70 μm)冷拔态CoCrFeNi高熵合金纤维的性能, 采用电子背散射衍射、透射电子显微镜以及同步辐射等技术探讨了电流处理过程中的热效应与非热效应对材料组织结构和力学性能的影响, 建立了CoCrFeNi纤维再结晶形核和长大模型. 相比于传统热处理, 电流处理过程中电子风力和焦耳热效应的协同作用显著加快再结晶过程, 获得更细小且均匀的晶粒, 并有效降低位错密度, 进而获得更优异的力学性能. 电流处理可获得屈服强度为400—2033 MPa的纤维, 延伸率最高可达53%. 本文证实, 电流处理可作为优化高熵合金纤维组织结构及性能的有效手段, 为高性能金属纤维的制备及工程化应用提供理论支撑和工艺指导.
2025, 74 (13): 136401.
doi: 10.7498/aps.74.20250392
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非晶合金高温流变行为是理解其结构演化与动力学行为的重要窗口, 阐明其动力学弛豫行为与流变行为的内秉性关联是理解非晶固体变形行为的重要研究内容之一. 本文基于动态力学分析仪从激活体积和缺陷演化动力学角度系统探究了三种La基非晶合金的高温流变行为与动力学弛豫特征的耦合机理. 在自由体积理论框架下通过应变率跳跃实验, 揭示了非晶合金的流变应力随温度和应变率变化的双曲正弦依赖关系, 建立了高温流变激活能与α弛豫过程的关联. 参考应变率与温度正相关, 反映非晶合金结构非均匀性对原子扩散速率的调控. 此外, β弛豫激活能与高温流变平均激活能呈相反趋势, 为β弛豫作为α弛豫前驱过程提供理论依据. 缺陷湮灭与生成速率的动态竞争主导了非晶合金的高温流变行为, 以动力学参量定量描述了非晶合金热力耦合变形特征. 研究结果为非晶合金高温变形机制的微观解释提供了实验数据与理论指导, 有利于优化其高温加工与成型工艺.
2025, 74 (13): 136101.
doi: 10.7498/aps.74.20250585
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在现代电子通信、人工智能产业快速变革的浪潮中, 第3代半导体的规模化应用推动着高性能高频软磁材料需求的日益增长. 然而, 传统软磁材料的基本性能之间存在着复杂的权衡关系, 例如饱和磁化强度与矫顽力、磁导率与损耗、机械强度与矫顽力往往不能同时兼得. 非晶基软磁材料以内部不同尺度序结构作为关键功能基元, 催生了极其丰富的物理特性. 序调控是一种通过优化序结构本征特性、序构形式来提升性能的理念, 为突破软磁性能的矛盾关系开拓了新的设计维度. 本文首先介绍了软磁材料的发展历程, 然后阐述了序调控的科学理论基础, 综述了基于序调控工程创制高性能非晶基软磁材料的最新进展, 重点介绍短程序、中程序、非晶-纳米晶双相等影响宏观物性的关键序构形式对软磁性能的影响及其作用机制, 最后指出了面向未来高精尖产业前沿的新一代高频软磁材料发展方向.
2025, 74 (8): 086103.
doi: 10.7498/aps.74.20250141
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中熵合金因其独特的强塑性协同效应, 在高应变速率服役的结构材料领域展现出广阔应用前景. 本研究聚焦于NiCoV中熵合金体系, 通过引入高熔点钨元素(原子含量为5%)进行合金化设计, 采用真空电弧熔炼结合热机械处理工艺制备了(NiCoV)95W5合金. 基于分离式霍普金森压杆实验平台, 系统揭示了该合金在2000—6000 s–1高应变速率下的动态响应机制与变形机理. 研究发现: 合金展现出优异的应变速率敏感性(m = 0.42), 当应变速率从准静态(10–3 s–1)提升至动态(6000 s–1)时, 屈服强度显著提升162% (720→1887 MPa), 这一强化效应源于高应变速率下晶格畸变诱导的声子拖曳作用显著增强. 通过显微分析, 揭示了该合金体系在高应变速率下的多尺度协同变形机理: 2000 s–1时以位错平面滑移为主导, 当速率增至4000 s–1时形成高密度位错缠结网络并激发部分析出相协同变形, 而在6000 s–1条件下则通过诱发变形孪晶实现加工硬化的存续. 本研究阐明了W元素掺杂的NiCoV中熵合金动态力学行为与变形机制, 为设计具有优异动态力学响应的新型结构材料提供了参考.
2025, 74 (8): 086102.
doi: 10.7498/aps.74.20250128
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多主元合金, 亦称为高熵合金, 作为一种新型合金材料, 因其优异的力学性能和热稳定性在多个领域展现出巨大的应用潜力. 本文采用分子动力学模拟方法, 以3种典型的体心立方结构多主元合金——TaWNbMo, TiZrNb和CoFeNiTi为研究对象, 系统研究了合金中的原子局域晶格畸变特征及其影响因素. 通过冯·米塞斯应变和体积应变作为描述符, 定量分析了合金中原子应变的分布及其与晶格畸变的关系. 研究结果表明, 晶格畸变越大, 冯·米塞斯应变和体积应变的分布范围越广, 且应变值显著增大. 进一步分析发现, 合金中的原子半径差异、化学短程有序结构以及温度均显著影响原子应变. 具体而言, 原子半径差异越大, 体积应变越大, 而化学短程有序结构的形成有助于减小晶格畸变和原子应变. 温度的升高则会导致晶格振动加剧, 从而增大原子应变. 本文的研究为理解高熵合金的微观力学行为提供了新的视角, 并为其在高温和极端环境下的应用设计提供了理论支持.
2025, 74 (8): 086101.
doi: 10.7498/aps.74.20250097
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多主元合金概念的提出颠覆了传统物理冶金的理念, 极大地拓展了材料设计空间. 合金相图从热力学角度揭示成分、热力学与结构之间的关系, 对指导材料优化具有重要意义. 传统实验方法测定相图费时耗力, 且面临着测量条件、成分控制、高温高压等因素限制, 系统评估相图和热力学性质困难. 在此工作中, 我们以典型等原子比镍钴铬合金为原型材料, 采用元动力学、动态概率增强采样和扩展系综模拟相结合的方法, 克服原子尺度模拟的时间尺度限制, 系统地绘制了镍钴铬在高温、高压条件下的温度-压力相图, 并计算了不同热力学条件下该材料体心立方晶体与液体相变的自由能面. 基于自由能路径, 量化了晶化和熔化相变过程中, 激活能、激活体积、激活熵与温度、压力的关系, 从而揭示了压力和温度分别通过影响激活体积和激活熵, 进而影响熔化和晶化动力学的物理机制. 该研究为理解多主元合金的热力学与相变动力学提供了理论支持, 探索了其在极端条件下结构稳定性.
