燕山大学王利民教授团队联手河北工业大学《Acta Materialia》：借助“能量 ...

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非晶合金凭借其卓越的强度展现出巨大的工程应用潜力，但结构弛豫诱发的室温脆性始终是制约其应用的“痛点”。长期以来，领域内虽已开发出多种“回春”手段来改善塑性，但由于微观结构、动力学响应与宏观力学行为之间的内在关联仍不明晰，使得性能优化在很大程度上仍依赖于经验性探索。
近日，燕山大学亚稳材料全国重点实验室先进结构材料中心王利民教授团队联手河北工业大学高性能轧辊材料与复合成形全国重点实验室，在非晶合金塑性调控机制研究方面取得重要进展。研究团队借助“能量工程”，通过高压退火构筑高能亚稳态异质结构，明确了材料宏观塑性提升的结构起源，首次建立了热力学能态、β弛豫动力学与宏观塑性的定量关联，为预测和优化金属玻璃的力学性能提供了一种有效的物理判据。
这项工作以“Plasticity Enhancement via β-Relaxation Modulation in Metallic Glasses: Energy Engineering”为题，发表于《Acta Materialia》期刊上。论文通讯作者为王利民教授、涂文康副教授和李子敬副教授，第一作者为杨靓博士。该研究得到国家自然科学基金、河北省自然科学基金、中央引导地方专项资金项目，河北省人才项目，以及燕山大学基础研究专项的资助支持。
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122640


该研究基于“能量工程”，采用高压退火（HPA, high pressure annealing），借助压力与温度场的耦合效应，成功驱动La(Ce)基非晶合金跨越势能图景能垒，跃迁至高能“回春”亚稳态。实现了La65Al10Ni25体系近室温（323 K）塑性由0.88%至3.48%的显著提升。在获得优异性能的基础上，研究团队进一步深入挖掘，首次建立了“热力学能态—β弛豫动力学—宏观塑性”的直接定量关联。这一框架的建立，使得通过调控能量状态预判并优化力学性能成为可能，为非晶合金从“经验性实验探索”向“理论定向设计”的跨越开辟了新路径。
研究从原子尺度分析，深刻揭示了高压退火诱导塑性增强的微观物理起源。结合早期文献工作高压退火诱导产生了“高密度团簇嵌于低密度基体”的异质结构，发现高密度团簇形成了连续的弹性骨架。该结构能有效抑制应变局域化的灾难性扩展，最终大幅改善材料塑性。此外，研究还发现了能量调控的热力学阈值，一旦超过该界限，纳米晶的析出将触发材料向脆性的突变。
该研究成果不仅揭示了高压退火诱导非晶合金塑性增强的物理本质，所建立的定量物理框架更为基于能量工程设计高塑性非晶合金，提供了坚实的理论基础和物理判据。


图1 甩带态La(Ce)基非晶合金的结构、热力学与动态力学性能表征：(a) X射线衍射图谱；(b) 差示扫描量热曲线，展示升温过程中的相变规律；(c) 动态力学分析谱图，给出归一化损耗模量(E′′)随归一化温度(T/Tα,，其中Tα代表α弛豫峰温度)的变化关系；(d) 图(c)中β弛豫峰的放大图，可清晰观察到各体系均有明显的β弛豫峰


图2 高压退火前后La65Al10Ni25非晶合金的结构、热力学、动力学及力学性能表征：(a) X射线衍射图谱；(b) 热容(CP)曲线与弛豫焓(ΔHrel)分析（虚线代表参考状态）；(c) 归一化损耗模量(E′′)随温度的变化曲线，插图为β弛豫区域的放大图；(d) 应力‑应变曲线


图3 五种La(Ce)基非晶合金的热力学状态、动力学响应以及力学性能随高压退火（HPA）温度的变化规律：(a) 弛豫焓(ΔHrel)；(b) 归一化β弛豫强度(Eβ''peak/Eα''peak)；(c) 塑性应变(εp)


图4 不同状态下(La0.7Ce0.3)65Al10Ni25与(La0.7Ce0.3)65Al10Co25金属玻璃的高分辨透射电镜图像、选区电子衍射花样以及自相关函数分析图：(a1, a2) 甩带态; (b1, b2) HPA-0.87Tg,am; (c1-c2) HPA-0.99Tg, am; (d1-d2) HPA-1.03Tg, am.


图5 五种La(Ce)基非晶合金的的热力学状态、动力学响应与塑性性能之间的定量关联：(a) 归一化β弛豫强度（Eβ''peak/Eα''peak）与弛豫焓 (ΔHrel) 的线性关系；(b) 归一化β弛豫强度与塑性应变(εp)之间的关系；(c) 塑性应变与弛豫焓的相关性。


图6 不同状态La65Al10Ni25非晶合金的势能演化及原子数密分布图


图7. 不同状态下La65Al10Ni25非晶合金的局部原子密度的概率分布直方图


图8. 不同状态下La65Al10Ni25非晶合金的团簇空间分布演化：(a) 二十面体团簇与类二十面体团簇之间空间连通性的三维可视化（黄色球体代表二十面体单元，蓝色球体代表类二十面体单元，红色连线代表相互连接的键合）；(b) 团簇尺寸分布（红色箭头表示最大团簇尺寸, smax）


图9 不同状态下非晶合金剪切应变演化的原子尺度模拟。(a)初始弹性加载阶段（ε = 1%）；(b)塑性流动阶段（ε = 4%）。两幅图均包含原子剪切应变云图以及对应的概率分布直方图


图10. 不同状态下HPA-0.99Tg,am非晶合金的热力学与结构表征：(a) Cp曲线及ΔHrel分析（虚线代表参考状态）；(b) 变形区域（ε = 4%）的HRTEM图像、SAED花样以及带有能谱元素分布图的HAADF图像；(c) SAED强度分布曲线。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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