75张图！156篇文献！北航&加州大学联合发表重磅顶刊综述：机械变形引起的非晶化！

2022-05-18 10:25:10 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

近日，材料领域顶级期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》在线发表了北京航空航天大学、美国加州大学联合发表的长篇综述“Amorphization by mechanical deformation”。在这篇综述中，重点研究了由机械变形引起的非晶化，这种非晶化可以通过多种方式进行，其中突出的是摩擦学过程、严重的塑性变形、纳米压痕，冲击压缩和球磨/机械合金化。变形将缺陷引入结构，将其自由能提高到超过非晶相之一的水平，从而为非晶化提供了条件。介绍并讨论了金属合金、金属间化合物、离子和共价键合材料中非晶化的实验观察。还有一种观察生物材料中的非晶化。作者还关注非晶材料塑性变形的基本机制；这是一个密切相关的过程，在这个过程中，除了非晶化，变形还在新阶段继续进行。非晶化的观察和分析得到了计算模拟的补充，这些模拟预测了机械诱导的非晶化过程并解决了这种转变的机制。

全文综合大图75张，156篇参考文献，基于团队十多年研究工作及相关课题组、研究单位成果综述而成。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X22000122#!

晶体结构的非晶化是金属、陶瓷和金属间化合物中普遍存在的现象。尽管非晶相通常比其结晶相具有更高的吉布斯自由能，但有许多方法可以产生非晶化。从固体结晶相中产生无定形相的要求是将其自由能增加到能够实现这种转变的临界水平以上。

在这篇综述中，我们关注塑性变形非晶化的基本方面。这些是根据其类别为不同的材料提供的：

（1）金属和合金：

大量金属合金表现出非晶化：Cu-Nb-（Si、Ge或Sn）合金体系、Nb3Sn、不锈钢、灰铸铁中的石墨片、Cantor和其他一些高熵合金。这种现象仅在一种纯金属中观察到：准静态压缩的纳米晶镍。晶体通常被认为是通过晶格缺陷的产生和传播而变形的。在形成纳米级非晶区的有利条件下，该过程可导致纳米级非晶化。

（2）金属间化合物：

位错是金属塑性变形的主要载体，它们之间的相互作用以及与晶界（GB）等其他结构特征的相互作用会导致强化。通常，缺乏位错可塑性会导致样品脆性破坏。Ni-Zr、Ni 3 Al、爆炸焊接的 Ti/Ni 复合材料、NiTi、Ni x Zr y、ZrCu、Zr 50 Cu 40 Al 10和钐钴（SmCo 5）通过不同的剧烈塑性变形方法生产。对于金属间化合物钐-钴（SmCo 5 ），在纳米压痕中在小晶粒尺寸的变形中，主要的变形机制是晶界滑动，而对于较大的晶粒尺寸，晶界滑动和非晶剪切带的形成都会发生。迄今为止，研究最多的金属间化合物是 NiTi。

（3）共价和离子材料：

由于其开放结构和负克拉佩龙行为，共价材料也易于非晶化，并审查了以下系统：橄榄石、Si、方石英、α-石英、α-伯林石、CaSiO 3、蛇纹石、B 4 C、硼低氧化物、金刚石、Ge、SiC和镁橄榄石。在 Ca（OH） 2和磷酸钙等离子材料的极端变形中观察到了类似的变形诱导非晶化现象。

（4）生物材料：

大自然在可用资源有限的受限环境下构建轻质、坚固和坚韧的生物材料。螳螂虾快速击球的趾棒的撞击面就是这种复合材料的一个例子。这种虾已经进化出定位损伤的能力，并避免在其进食活动期间因高速撞击而造成灾难性故障。通过在纳米粒子结构的设计中实施非晶化，与具有非整合相的结构相比，刚度和强度显着增加，从而导致更高的能量吸收。

图 1。通过从头算分子动力学模拟在各种金属玻璃中发现的短程和中程有序的示例

图 2。（a）一般比容与温度的关系，显示结晶和玻璃形成（冷却时）以及结晶相和玻璃相之间的比容差异。（b）吉布斯自由能与温度的关系，显示结晶和无定形路径以及它们之间的自由能差异。

图 3。金属玻璃的制造流程图有两条主要途径：熔体铸造和热塑性成型

图 9。重型汽车制动试验后灰铸铁盘中石墨片的非晶化。（a）圆盘横截面的能量过滤 TEM 图像。浅灰色条带是石墨，深灰色颗粒是铁，斑点灰色颗粒是磁铁矿。（b）（a）中白盒区域的更高放大倍数。（c）（b）中白框区域的更高放大倍数。带有SAED 图案插图。（d）快速傅里叶逆变换（FFT）重建图像，显示石墨点和平面被弄皱

非晶材料的塑性变形也与本综述的重点有关。它可以代表最后一个阶段，此时已经通过机械手段实现了非晶化。基本上有两种理论可以预测这种变形的机制：自由体积理论和剪切转变区理论。它们都在本文中进行了严格审查。非晶化过程可以释放在位错、层错、孪晶或相变区等晶体缺陷交叉处积累的大偏应力。偏应力的释放可以抑制纳米级裂纹的产生和扩展，否则会导致材料失效。因此，非晶相通常比其结晶相更硬，因为位错不能在其中传播，这使得这些材料在冲击、穿透、保护和极端应变率条件等极端承载应用中具有竞争力。除了位错介导的塑性、机械孪晶和相变之外，非晶化可以被认为是一种变形机制；

图 10。Fe 3 Cr 2 Al 2 CuNi 4 Si 5 HE-MG（一种新型非等原子合金）的TEM 照片。（a）插图显示了无定形基质的衍射图案，（b）插图显示了纳米颗粒的衍射图案

图 11。10 -3 s -1应变速率下准静态压缩后型锻CrMnFeCoNi HEA的复杂变形微观结构。（a） TEM 明场图像显示高密度平面缺陷。（b）孪晶、hcp 相和非晶区的严重变形区域的HRTEM显微照片，如图所示。（c）孪生区域的近视图（d） hcp 区域的近视图，傅里叶变换滤波以最大化相位对比度。（e）在 hcp 和孪晶区域的交叉处形成的非晶区域的近视图

图 12。CrMnFeCoNi HEA 在动态压缩/剪切后的复杂变形微观结构。（a）具有孪晶、堆垛层错、hcp 相和非晶带的剪切带的明场 TEM 图像。（b） SAED 图案显示 fcc 矩阵、孪晶点和 hcp 结构的存在。（c） HRTEM图像显示孪晶和堆垛层错（SF）的共存。（d） hcp 和 fcc 相之间界面的傅里叶滤波晶格图像。（e）无定形带的 HRTEM 图像（（a）中的红框区域）和相应的快速傅里叶变换衍射图

图 20。NiTi 试样高度变形 75% 的 TEM 图像：（a）明场图像；（b） SAEDP 显示非晶相和纳米晶相、B2奥氏体和 B19' 马氏体共存；（c） HRTEM图像显示分布在无定形基质中的保留纳米晶相；（d）（c）中 D 区的 FFT 揭示了无定形性质；（e）（c）中 E 区的 FFT，显示非晶相和纳米晶相共存；（f）（c）中 F 区的 FFT，在纳米晶相中表现出位错和晶格畸变

图 21。局部罐装压缩下 NiTi 试样纳米化和非晶化的微观结构演变示意图

图 22。超声纳米晶体表面改性（UNSM）处理后 NiTi 形状记忆合金表面或附近的 TEM 图像。（a）顶面低倍率图像；可以看出一点反差。（b）具有相应 FFT 图案的顶面高分辨率图像；没有观察到长程秩序。（c）明场 TEM 图像和表面以下 4 µm 处的相应衍射图案；在表面以下 4 µm 处部分纳米晶和部分非晶。（d）明场 TEM 图像和表面以下 7 µm 处的相应衍射图案。纳米晶性质随深度增加，在 7 µm 以下变为完全纳米晶

图 23。（a） NiTi 微柱塑性变形的 SEM 图像，（b）局部剪切带的 TEM 图像，（c） TEM 图像和（b）中绿框区域的 SADP，以及（d）纳米晶 NiTi 微柱的塑性变形

图 45。从 30 GPa 和 1200–1600 K 回收的金刚石样品的HRTEM显微照片。（a）–（f）、HRTEM 图像和相应的反 FFT 图像。插图是（a）、（c）和（e）中白框（7.0 × 7.0 nm 2 ）的 FFT 图案。（d）和（f）中的青色和红色圆圈显示了一些MRO簇。在（f）中，由青色和红色实线标记的晶格条纹与立方和六角形金刚石的（111）和（100）晶面相匹配。（g）和（h）是（f）中红色和青色框（2.0 × 2.0 nm 2 ）的 FFT 图案。这些由箭头标记的漫射光晕上的较亮点证实了（f） [93]中的立方和六边形钻石状 MRO 簇。