科研进展丨提出利用分形微观结构设计解决非晶态材料拉伸脆性问题的新思路

2024-06-21
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传统晶体材料的形变由结构缺陷如位错等承载在拉应力(tensile stress)的作用下可以表现出加工硬化行为和显著的塑性变形。该性质是晶体材料服役行为的先决条件。晶体材料的力学变形机制和缺陷动力学一直是过去几十年中材料科学研究的重点和热点。与晶体材料不同,非晶态材料是通过快冷的方法制备的固体材料,其微观尺度原子排列无序,因此不具备像晶体中的结构缺陷。另外,无论内在原子间或分子间相互作用方式如何迥异,所有的非晶态固体在低温拉应力下都表现出突然的脆性断裂行为,不存在拉伸塑性和加工硬化性质。缺乏拉伸塑性是限制非晶态固体尤其是非晶合金大规模应用的瓶颈难题,一直是该领域的研究热点和难点。究其原因,非晶态固体中不存在定义完备的结构缺陷,力学形变没有像晶体缺陷那样的承载单元,通常是由剪切带的形核和快速扩展引起的脆性断裂。到目前为止,研究者们已经提出多种思路来克服该困难,如新材料开发和非晶-晶体复合材料等方式。然而,这些方式都有着各自的内在限制,无法有效推广。

近日,胡远超研究员等提出利用分形维度的微观结构设计的方式来提升非晶态材料的拉伸塑性的新思路。通过大规模的计算机模拟研究,发现该种结构设计方法可以有效调控非晶态材料的拉伸塑性并实现加工硬化行为。该种调控策略在非晶合金(CuZr和FeP)和非晶硅(Si)中具有良好而各不相同的效果,表明可以通过调控微观结构和材料体系实现拉伸塑性的定向设计。其背后的物理机理为通过多层的微观结构(hierarchical microstructure)来共同承载拉伸应力进而避免应力应变集中,使得具有互锁效应的分形结构有效延迟脆性断裂。该研究提出了调控材料力学性能的新思路以及新的结构-性能关系,为更广义尺度上的新材料开发提供了新视野。相关研究成果以“Accessing versatile tensile ductility of amorphous materials by fractal nanoarchitecture design”为题发表在国际知名期刊Acta Materialia [https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120100]上。

 

撰稿:数据驱动材料科学研究组