“合金”忽冷忽热下，块状非晶合金在悄悄“进化”

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2021年，一款用于拔插SIM卡的苹果取卡针在苹果官网上架，高达60块钱的售价引发网友吐槽。实际上，最近几代的苹果手机的取卡针的针头并非普通不锈钢，而是锆基非晶合金，相比之前的材质更加坚硬、有韧性。这种材质正是材料界炙手可热的非晶合金的一员，具有种高弹性，高硬度，较高断裂韧性等特殊性能，这也是太原理工大学材料科学与工程学院乔珺威教授团队一直研究的新型高端材料。

近日，乔珺威教授团队在《材料科学工程A》刊发论文《在纳米压痕中通过统计应用冷热循环方法得出块状非晶合金最大剪切应力临界值的准则》，太原理工大学研究生张浩为论文第一作者。

非晶合金具有长程无序的原子结构，具有较强的耐腐蚀性，极高的强度、硬度和断裂韧性，和优良的弹性极限。在电动汽车的传感器、滤波器，牙齿骨骼的填充物、钻具耐磨带等领域都有所应用。

非晶合金有块体非晶、非晶粉末、非晶薄带三种形式。乔珺威教授团队研究的是块体非晶合金，由于塑性变形被严重局限在只有纳米厚度的剪切带内，通过各种方法改善其塑性，更好地满足应用需求，是科学家们在实验室中追求的目标。

弹性很强的非晶合金，类似于脆性玻璃，材料发生灾难性断裂时，相切与断裂面，这项研究的价值之一就在于通过统计的方法得出了最大剪切应力的临界值，而且该方法适用于计算绝大部分非晶材料。

针对实验过程，张浩介绍道，我们把一种锆基非晶合金进行冷热循环处理，并使用纳米压痕表征手段，拥有了大量数据，再结合平均场理论，得出一个最大剪切应力临界阈值判定准则，并提出了该准则的三个适用条件。

  张浩在实验室中进行理论计算。受访者供图

张浩对该锆基非晶合金行了100次和400次冷热循环实验，把材料悬垂在沸水里一分钟、再到液氮里浸泡一分钟，就是一个循环，“这种方法被证实确实可以改善非晶合金的塑性，提升非晶合金的性能。”

除了冷热循环，张浩还对铸态非晶合金进行纳米压痕实验，这是普遍流行的一种微观力学行为检测手段，通过记录连续的载荷-位移曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量、屈服应力等指标，取得宏观力学、微观力学相对应的效果。两者结合，通过统计分析的方法得出非晶合金的活化体积等，并应用平均场理论分析得出最大剪切应力临界值的准则。

张浩说，我们的创新点就在于把冷热循环、纳米压痕、平均场理论三种方法进行结合，得出了几乎适用于所有非晶合金的准则，并提出了该准则的三个适用条件，最大剪切应力临界阈值判据公式适用于块体非晶合金不适用于薄膜非晶合金，纳米压痕测试是力控制而不是位移控制，求活化体积时的非线性行为用一阶多项式。

这项研究可以理解为非晶合金研究的“高熵化”，首次聚合这几种研究方法。乔珺威教授表示，这项研究为理解非晶合金力学行为随外部条件的演化提供了新的视角，帮助后来者揭示非晶合金力学性能演化与微观结构之间的关联。

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