物理所非晶合金韧脆转变机理研究取得进展

关于合金材料的本征韧脆特性机理，究竟主要是原子尺寸因素，还是电子结构因素，长期以来有争论。为什么有些合金晶体结构相同且晶格常数相近，而在相同温度条件下韧性差别很大？显然不能仅用晶格类型和滑移系的多少来解释，而必须考虑原子间的结合性质。对于NiAl和TiAl等高温合金材料，这一争论更为突出。由于很难在保持单相均匀结构的前提下通过成分微调来改变其韧脆特性，使得合金韧脆特性的本源问题一直没有明确的结论。有趣的是，非晶合金（又称金属玻璃）可以通过成分微调在不改变其无序结构特性的前提下显著改变其韧性大小，这为通过观察金属玻璃成分微调而导致的韧脆转变来认识合金中韧脆特性的本源问题提供了理想的模型材料。
　　与高温合金类似，金属玻璃的中心问题不是强度而是韧性，破坏往往是断裂。从微观结构上讲，金属玻璃不像晶态合金，后者的宏观力学性能主要取决于微观尺度上的缺陷结构如位错形核及运动造成裂尖钝化，已有完整的结构（如位错）理论来描述这种结构与性能的关系。对非晶合金来说，这种关系还远远没有建立起来，断裂能在裂尖过程区的耗散机理及裂尖钝化机制还不清楚。金属玻璃没有这种微观尺度上结构特征，能不能像经典断裂理论格林菲斯（Griffith）理论那样把金属玻璃的结合性质（bonding）与其断裂能大小联系起来，是非晶领域关键的科学问题之一。对于金属玻璃这种准脆性材料来说，断裂能的耗散主要还是通过裂尖断裂过程区中键在应力的作用下的撕开或滑动实现的，键在切应力作用下的滑动是塑性功产生的主要途径。正如电子轨道杂化对称性决定晶格类型一样，这种对称性也将决定键的柔顺性，后者可能是通往认识非晶合金中本征韧性/脆性起源问题的桥梁。实现金属玻璃的结合性质的表征和调控，也是金属玻璃材料和凝聚态物理领域目前所关注的中心问题之一。
　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室极端条件物理室汪卫华研究组的郗学奎博士和博士生袁晨晨等人，在研究金属玻璃合金微合金化导致的韧脆转变【J App Phys 109, 033515 (2011)】以及原子尺度结构和成键特性【J Phys Cond Matt 23, 115501（2010）】工作的基础上，与中科院化学研究所分析测试中心核磁组向俊峰博士合作，利用固体核磁共振方法从电子结构和原子排列层面考察了微合金化导致的这类合金韧脆转变的机理。
　　该项研究认为，金属玻璃中结合键的柔顺性可能对这种撕裂和滑动具有决定性作用。该项研究假设无方向s性轨道电子参与成键成分越多，键柔顺性就越强，键在剪切作用下越容易滑动，在拉应力作用下就容易伸长而不易导致断裂，从而裂尖塑性就越大也就会耗散更多的能量。该假设的依据是：TiAl等化合物以及金属玻璃的密度泛函计算结果均表明过渡金属（TM）-Al p-d轨道杂化以及费米能级处的d电子会导致费米能级处的Al 3s电子被散射，s电子会移动结合能，接近基态原子能级位置，形成局域化。费米能级附近s态密度减小程度与这种杂化程度有关。27Al NMR金属位移作为原子局域探针主要反映了费米能级附近Al 3s电子态密度的大小。随后的27Al固体NMR实验结果支持这一假设，发现断裂能大小与费米能级附近s分波态密度有着密切的联系，s分波态密度愈高，韧性愈好，从NMR角度证明了这类材料内部原子成键特性对裂尖塑性功大小起着决定性作用。
　　该项研究结果支持这类材料的本征韧脆性质是由电子结构因素决定的这一结论。这项研究首次成功地观察到了金属玻璃合金中费米能级附近Al 3s电子态密度的大小随合金化调制而起伏，论证了这一起伏取决于p-d杂化程度并与金属玻璃断裂能变化有密切的关系。该工作有助于加深认识合金的本征增韧机理。相关研究结果发表近期的Phys Rev Lett 107, 236403 (2011)上。
　　相关工作得到了国家自然科学基金，中科院“百人计划”和科技部973项目的支持。中国人民大学物理系于伟强教授和马龙同学在核磁实验上对本研究亦有帮助。