物理所非晶合金韌脆轉變機理研究取得進展

　　關于合金材料的本征韌脆特性機理，究竟主要是原子尺寸因素，還是電子結構因素，長期以來有爭論。為什么有些合金晶體結構相同且晶格常數相近，而在相同溫度條件下韌性差別很大？顯然不能僅用晶格類型和滑移系的多少來解釋，而必須考慮原子間的結合性質。對于NiAl和TiAl等高溫合金材料，這一爭論更為突出。由于很難在保持單相均勻結構的前提下通過成分微調來改變其韌脆特性，使得合金韌脆特性的本源問題一直沒有明確的結論。有趣的是，非晶合金（又稱金屬玻璃）可以通過成分微調在不改變其無序結構特性的前提下顯著改變其韌性大小，這為通過觀察金屬玻璃成分微調而導致的韌脆轉變來認識合金中韌脆特性的本源問題提供了理想的模型材料。

　　與高溫合金類似，金屬玻璃的中心問題不是強度而是韌性，破壞往往是斷裂。從微觀結構上講，金屬玻璃不像晶態合金，后者的宏觀力學性能主要取決于微觀尺度上的缺陷結構如位錯形核及運動造成裂尖鈍化，已有完整的結構（如位錯）理論來描述這種結構與性能的關系。對非晶合金來說，這種關系還遠遠沒有建立起來，斷裂能在裂尖過程區的耗散機理及裂尖鈍化機制還不清楚。金屬玻璃沒有這種微觀尺度上結構特征，能不能像經典斷裂理論格林菲斯（Griffith）理論那樣把金屬玻璃的結合性質（bonding）與其斷裂能大小聯系起來，是非晶領域關鍵的科學問題之一。對于金屬玻璃這種準脆性材料來說，斷裂能的耗散主要還是通過裂尖斷裂過程區中鍵在應力的作用下的撕開或滑動實現的，鍵在切應力作用下的滑動是塑性功產生的主要途徑。正如電子軌道雜化對稱性決定晶格類型一樣，這種對稱性也將決定鍵的柔順性，后者可能是通往認識非晶合金中本征韌性/脆性起源問題的橋梁。實現金屬玻璃的結合性質的表征和調控，也是金屬玻璃材料和凝聚態物理領域目前所關注的中心問題之一。

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室極端條件物理室汪衛華研究組的郗學奎博士和博士生袁晨晨等人，在研究金屬玻璃合金微合金化導致的韌脆轉變【J App Phys 109, 033515 (2011)】以及原子尺度結構和成鍵特性【J Phys Cond Matt 23, 115501（2010）】工作的基礎上，與中科院化學研究所分析測試中心核磁組向俊峰博士合作，利用固體核磁共振方法從電子結構和原子排列層面考察了微合金化導致的這類合金韌脆轉變的機理。

　　該項研究認為，金屬玻璃中結合鍵的柔順性可能對這種撕裂和滑動具有決定性作用。該項研究假設無方向s性軌道電子參與成鍵成分越多，鍵柔順性就越強，鍵在剪切作用下越容易滑動，在拉應力作用下就容易伸長而不易導致斷裂，從而裂尖塑性就越大也就會耗散更多的能量。該假設的依據是：TiAl等化合物以及金屬玻璃的密度泛函計算結果均表明過渡金屬（TM）-Al p-d軌道雜化以及費米能級處的d電子會導致費米能級處的Al 3s電子被散射，s電子會移動結合能，接近基態原子能級位置，形成局域化。費米能級附近s態密度減小程度與這種雜化程度有關。27Al NMR金屬位移作為原子局域探針主要反映了費米能級附近Al 3s電子態密度的大小。隨后的27Al固體NMR實驗結果支持這一假設，發現斷裂能大小與費米能級附近s分波態密度有著密切的聯系，s分波態密度愈高，韌性愈好，從NMR角度證明了這類材料內部原子成鍵特性對裂尖塑性功大小起著決定性作用。

　　該項研究結果支持這類材料的本征韌脆性質是由電子結構因素決定的這一結論。這項研究首次成功地觀察到了金屬玻璃合金中費米能級附近Al 3s電子態密度的大小隨合金化調制而起伏，論證了這一起伏取決于p-d雜化程度并與金屬玻璃斷裂能變化有密切的關系。該工作有助于加深認識合金的本征增韌機理。相關研究結果發表近期的Phys Rev Lett 107, 236403 (2011)上。

　　相關工作得到了國家自然科學基金，中科院“百人計劃”和科技部973項目的支持。中國人民大學物理系于偉強教授和馬龍同學在核磁實驗上對本研究亦有幫助。