导读：空间技术的快速发展对弹性材料提出了巨大的挑战，弹性材料不仅需要重量轻、强度高，还要能够在很宽的温度范围内保持稳定的弹性。本文报告了一种轻质镁-钪应变玻璃合金，可以应对这一挑战。这种合金与骨骼和玻璃纤维增强塑料等有机基材料一样轻（密度~2g·cm–3）和柔顺性，但与这些材料相比，它从室温到123 K的宽温度范围内具有超低杨氏模量（~20–23GPa）；更高的屈服强度~200–270MPa；以及超过一百万次循环的长疲劳寿命。因此，在200MPa的中等应力水平下，它在已知材料中表现出相对较高的、与温度无关的弹性能量密度，约为0.5kJ·kg-1。研究结果为设计具有非常规和技术上重要的弹性特性的材料提供了见解。

镁合金在所有金属结构材料中具有最低的密度（ρ≈1.8g·cm-3），可与许多有机基天然或人造结构材料相媲美，如骨骼、硬木和玻璃纤维增强塑料。因此，它们有可能成为解决空间技术中对各种轻质弹性部件（如轮胎、弹簧和密封件）的需求的解决方案。这些应用需要在中等应力水平（例如，~200 MPa）下具有较高的重量比弹性能量密度（即每公斤的弹性能量），并且这种特性需要对温度不敏感。由于重量比弹性能量密度U定义为U=σ2/2ρE，其中σ表示应力，E表示弹性模量，因此有希望的候选材料需要同时具备低密度、高屈服强度和低模量，以及宽温度范围内的模量不变性（称为Elinvar效应）。然而，现有的镁合金面临着高强度和低弹性模量之间权衡的挑战,这妨碍了同时实现高强度和低模量；由于随着温度的降低，金属结合力更强，弹性硬化效应对在宽温度范围内所需的弹性模量不变性提出了挑战，这是普通金属和合金23（包括镁合金）的共同特征。

在此，西安交通大学任晓冰教授等人报告了一个令人惊奇的发现，即在稍高的Sc掺杂（0.8 %）下，Mg-21.3Sc合金显示出与Mg-20.5ScSMA截然不同的弹性行为。这种合金表现出所需的低密度（~2 g cm-3）、几乎与温度无关（Elinvar型）、低杨氏模量（~20-23 GPa）和高屈服强度（~200-270 MPa）的性能，并且这些特性在从室温（298 K）到低温（123 K）的宽温度范围内持续存在。因此，相对于已知的工程弹性材料，它在200 MPa的中等应力下具有较高的弹性能量密度（U = ~0.5 kJ kg-1）。此外，这种轻质弹性材料具有超过一百万次循环的长疲劳寿命，优于各种镁合金、GFRP和高强度铝合金，这种性能使其成为空间和航空航天应用中轻质弹性部件的有前途的材料。

相关研究成果以题“A lightweight strain glass alloy showing nearly temperature-independent low modulus and high strength”发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01298-y

具有20.5%Sc(Mg-20.5Sc)的Mg合金由于马氏体转变而表现出形状记忆效应和超弹性。虽然大的超弹性原则上可以提供高弹性能量密度的可能性，但Mg-20.5Sc形状记忆合金(SMA)具有与其他SMAs相同的缺点，超弹性和存储的弹性能量强烈依赖于温度，并且超弹性在马氏体转变温度以下消失。使用SMA的低弹性模量特性进行弹性能量存储（即将应力水平限制在弹性范围内）的可能性也被弹性模量的强温度依赖性（称为弹性软化效应）排除了，当温度低于马氏体转变温度时，塑性最终出现。因此，所有性能对温度的强烈依赖性使得形状记忆镁合金不适用于温度不稳定环境中的弹性应用。在这里，我们报告了一个令人惊讶的发现，即在稍高的Sc掺杂（0.8%）下，Mg-21.3Sc合金显示出与Mg-20.5ScSMA截然不同的弹性行为。这种合金表现出所需的低密度（~2g·cm-3）、几乎与温度无关（Elinvar型）、低杨氏模量（~20-23GPa）和高屈服强度（~200-270MPa）的性能），并且这些特性在从室温（298K）到低温（123K）的宽温度范围内持续存在。因此，相对于已知的工程弹性材料，它在200 MPa的中等应力下具有较高的弹性能量密度（U=~0.5 kJ·kg-1），由于克服了低模量和高强度之间的权衡关系。此外，这种轻质弹性材料具有较长的疲劳寿命100万次循环，优于各种Mg合金、GFRP和高强度铝合金。这种性能使其成为空间和航空航天应用中轻质弹性部件的有前途的材料。

图1 Mg-21.3Sc应变玻璃在室温下的弹性和机械性能。a，Mg-21.3Sc应变玻璃合金、GFRP、CFRP、Mg合金和铝基、铁基和钛基合金在200MPa载荷下的弹性能量密度比较。b,Mg-21.3Sc应变玻璃合金的杨氏模量与屈服强度的关系以及与骨骼和镁合金主要家族的比较。c，CR和SQ Mg-21.3Sc应变玻璃合金在293 K的高应力/应变幅度（屈服应力的90%）下经受了一百万次循环疲劳试验，并显示出弹性模量的稳定性（动态弯曲模量）在应力循环。

图2 Mg-21.3Sc应变玻璃合金在宽温度范围内的Elinvar型弹性。a，Mg-21.3Sc应变玻璃合金在298-123 K的宽温度范围内显示出与温度无关的（Elinvar型）低模量。b，Mg-21.3Sc应变玻璃合金（SQ）表现出对温度不敏感的弹性变形行为。c，Mg-21.3Sc应变玻璃合金在298-123 K的宽温度范围内表现出与温度无关的高弹性能量密度。

图3 Mg-21.3Sc合金(SQ)中应变玻璃化转变的宏观特征。a，差示扫描量热曲线中没有马氏体转变峰。b，298和123K的X射线衍射图显示的平均结构不变性。c，通过动态力学分析测量储能模量和内摩擦tanδ（δ是应力之间的相位差）在Tg下的频率相关异常（不同颜色分别代表0.2、0.4、1、2、10、20Hz的频率）和应变d，ZFC/FC实验在40MPa下揭示的晶格应变状态的历史依赖性（用不同的晶格应变符号表示）。

图4 Mg-21.3Sc应变玻璃合金（SQ)中局部对称性破缺的证据。a，室温下具有[110]β区轴的粗花呢状形态。b，具有[111]β区轴的明场图像和相应的衍射图案。c，a中放大的花呢状区域显示了bcc晶格的局部晶格畸变。d，通过选择所有1/2{112}超晶格反射获得的c的快速傅里叶逆变换图像。

图5 原位暗场TEM观察Mg-21.3Sc应变玻璃合金(SQ)中纳米域的平滑演变。a,b，在298 K(a)和123K(b)拍摄的图像。

总之，发现Mg-21.3Sc应变玻璃合金具有Elinvar型低模量、高屈服强度和长疲劳寿命。因此，它表现出与温度无关的弹性能量密度约为0.5 kJ·kg-1，在200 MPa的中等应力水平下，在已知的工程材料中是很高的。独特的对温度不敏感的弹性可能使这种轻质合金成为太空和航空航天等温度变化环境中理想的弹性材料，以及由于其模量接近人体骨骼而在骨科应用中很有前景的植入材料。