非晶金属的优异性能

非晶态的金属材料因在原子尺度上的无序性而获名“金属玻璃”。常见的金属具有晶体结构,即呈现出高度的原子有序性,而非晶合金却不具备此种结构。非晶态金属材料的结构导致了其在冷却过程中具有较小的收缩且不易塑性变形。此外,由于没有晶界(晶体材料的薄弱点),金属玻璃还呈现出较好的抗磨损和耐腐蚀特性。由于金属玻璃的优异特性,它被成功应用于体育器材、医学器件和电子产品的外壳制造之中。目前,它正得到广泛的研究以期望成为修复骨骼断裂的生物材料,如螺旋状、栓状、片状物等。

虽然科学家在1960年即发现了该种材料,但是金属玻璃的原子结构依旧没有得到深入的认识,尽管它呈现出的某些现象极具重要性,如玻璃化转变,塑性流变,结晶。例如,玻璃化转变温度和塑性屈服强度在金属玻璃中是相互关联的。但是相应的机理,如玻璃化转变和屈服强度如何联系在一起依旧是个谜。

来自澳大利亚、中国和美国的科研工作通过开展合作研究,成功地阐述了这些机理。他们发现Zr-Cu-Ni-Al块状金属玻璃在原子层面上的热膨胀具有各向异性

通常情况下,非晶金属是各向同性的,这与晶体材料恰恰相反。晶体材料的物理特性(机械、热学、化学、声学和电学)表现出各向异性。但在完全各向同性和均质体中,热膨胀既不取决于方向,也不取决于距离。

该研究表明剪切应力在原子层面上导致的屈服可使得材料发生塑性重构。与完全的各向同性和均质体不同,金属玻璃中两个相邻原子的相对距离改变是完全不同的。这种现象显示了亚纳米尺度构件的结晶行为趋势。

今后研究人员将对这种趋势进行测量和建模。他们希望能够进一步对非晶材料的相转变进行预测。

D. Qu et al., Adv. Eng. Mater. ; DOI: 10.1002/adem.201000349

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。