东南大学Intermetallics & J. Alloys Compd.丨钯基非晶合金在超声振动下的软化流变行为

一、【导读】

由于超声应力软化效应和表面快速扩散效应，超声机械振动在金属微成形工艺中得到了广泛的应用。由于具有较高的本征塑性和泊松比，钯基非晶合金是超声辅助成型、压印或冷焊接的潜在候选材料。然而，该合金在超声辅助塑性变形过程中的软化机理尚不清楚。近日，东南大学袁晨晨与深圳大学马将等研究人员合作采用纳米压痕技术研究了超声机械振动下Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金的塑性流变行为。研究发现，超声振动后钯基非晶合金体系的硬度和弹性模量分别下降了25%和40%，表现出明显的软化现象，这是由于循环机械振动过程中缺陷激活及低能量原子快速运动导致的。研究表明，具有较短特征弛豫时间的缺陷在非晶合金塑性流变过程中起着关键性作用。该研究工作揭示了高频机械振动下非晶合金缺陷激活的内在机制。研究成果以《Softening in an ultrasonic-vibrated Pd-based metallic glass》为题发表于Intermetallics 144 (2022) 107527，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107527

东南大学研究团队前期对Fe₆₆Tb₅B₂₃Nb₆非晶合金的纳米压痕蠕变行为的相关研究发现温度场对非晶合金的塑性流变行为也具有类似的调控作用。该项研究指出具有较短特征弛豫时间的缺陷在非晶合金接近玻璃转变温度的粘塑性流动过程亦扮演了重要的角色，是导致非晶基体高温软化的主要原因，详见J. Alloys Compd. 853(2021)157233，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157233

该系列研究工作得到国家自然科学基金（Grant Nos. 52071078, 51871157）、东南大学“至善学者”人才项目（Grant No. 2242021R41158）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（Grant No. SJCX20_0038）、江苏省先进金属材料重点实验室（Grant No. BM2007204）等项目的支持。

二、【成果掠影】

非晶合金具有极高的强度、硬度和优异的耐蚀性，作为新型结构功能材料在3D打印、成型、压印等领域中具有潜在的应用前景。据报道，高频机械振动是一种既经济实惠又环境友好的微成型工艺，广泛应用于非晶合金微小零件的加工成型。然而，非晶合金在超声辅助塑性变形过程中软化机制并不清楚。研究表明超声振动可以有效降低非晶合金在过冷液相区的抵抗力，从而提高非晶合金的热塑性成形能力，这与其在高频循环加载过程中流动缺陷的激发有关。然而，目前还不清楚这些缺陷是如何在非晶基体中分布，它对变形机制的影响也尚未可知。纳米压痕技术是一种在微观尺度上测定结构材料力学性能的有效方法，它能给出力学参量如硬度、弹性模量及与时间相关的力学响应如蠕变，很好地描述材料在非弹性变形过程中缺陷的产生或湮灭，同时不受样品尺寸和形状的限制。基于此，研究人员采用纳米压痕技术对Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金在20000 Hz 超声频率循环加载后的力学性能如硬度、模量和蠕变行为的演化机制进行了系统研究。

研究发现，在循环加载条件下，流动缺陷的激发将导致具有特征时间的结构弛豫。基于弛豫时间谱的分析表明，超声振动后具有较短特征弛豫时间的缺陷浓度显著增加，这与玻璃化转变及晶化形核过程中原子扩散的激活能降低有关。该现象导致非晶合金基体发生局部塑性变形，使超声振动后的样品在粘塑性变形过程中表现出较大的蠕变位移。这最终导致体系硬度和弹性模量明显降低。采用纳米压痕技术对钯基非晶合金的机械软化和缺陷激活行为进行系统研究有助于我们寻求超声振动辅助成型、压印过程中的非晶合金超塑性流动行为的结构起源。

三、【图文解读】

图1 Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金在不同加载速率下蠕变位移曲线滞弹性部分的弛豫时间谱

图2 Pd₄₀Cu₃₀P₂₀Ni₁₀非晶合金超声振动前后缺陷分布示意图

本文由作者供稿。