第一作者：蘇爽

通訊作者：寧志良，張彥明，黃永江

通訊單位：哈爾濱工業大學材料學院

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.024

本論文系統研究了退火處理對Zr₅₈Cu₃₀Ti₂Al₁₀非晶合金能量狀態、微觀結構和力學行為的影響規律。退火工藝通過降低能量狀態，顯著提高了非晶合金的結構有序度和均勻性，從而提高了其整體力學性能可靠性。具體而言，退火促進了局部二十面體近程有序的形成，有助于提高納米硬度和抗拉強度。此外，退火過程中內應力的釋放和重新分布進一步優化了內應力狀態，顯著提高了材料的斷裂強度，獲得了可靠的力學性能。本研究不僅闡明了退火對非晶合金微觀結構的調控機制，也為探索高強度、高斷裂可靠性的非晶合金材料提供了理論支持和實驗依據。

非晶合金樣品的制備。(a) 熔體抽拉工藝制備非晶合金微絲示意圖；(b) 快速凝固工藝制備非晶薄帶示意圖；(c) 非晶微絲和薄帶納米壓痕位置示意圖；(d) 非晶微絲、薄帶和塊體樣品的拉伸試樣尺寸示意圖。

微觀結構分析。不同能態非晶合金的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像及其快速傅里葉變換(FFT)和相應的自相關函數(ACF)圖像：(a) 非晶微絲；(b) 非晶薄帶；(c) 鑄態塊體非晶合金；(d) 退火0.5 h的塊體非晶合金；(e) 退火1 h的塊體非晶合金。(f) HRTEM的兩種不同類型ACF（周期性和隨機）模式及其FFT圖像；(g) 有序度隨弛豫焓?H的增加而降低。

納米硬度測試。納米硬度分布：(a) 非晶微絲；(b) 非晶薄帶；(c) 鑄態塊體非晶合金；(d) 退火0.5 h的塊體非晶合金；(e) 退火1 h的塊體非晶合金。(f) 納米硬度最大值和最小值；(g) 每個樣品在100個納米壓痕中的納米硬度范圍值。

納米硬度的統計分析。(a) 納米硬度的高斯擬合；(b) 高斯擬合曲線的半峰寬；(c) 高斯擬合曲線的峰值；(d) 高斯峰位置和納米硬度平均值；(e) 平均值的標準差。

拉伸斷裂強度的統計分析。(a) 最大和最小斷裂強度值之間的范圍；(b) 對數正態分布和Weibull統計分析的模量，插圖顯示對數正態分布的標準差；(c) 斷裂強度的幾何平均值和算術平均值；(d) Weibull統計分析的斷裂閾值。

非晶合金原子分布示意圖。(a) 低有序度的非晶合金（微絲/薄帶），(b) 塊體非晶合金（鑄態），(c) 高有序度的非晶合金（退火態）。

綜上所述，通過調整制備過程中的冷卻速率和后續的退火處理，我們獲得了具有不同能量狀態的Zr₅₈Cu₃₀Ti₂Al₁₀非晶合金。通過對其熱力學行為的定量表征，結合多種統計分析方法，系統研究了不同能量狀態下非晶合金結構均勻性和力學可靠性的演變及其內在機制。主要結論如下：

1. 能量狀態的降低有助于非晶合金中內應力的釋放，促進短程有序團簇的形成，這些團簇隨后連接形成中程有序結構，從而增加了類晶體有序區的數量。

2. 在有序度較高的非晶合金中，軟點的硬化和硬點的膨脹使原子堆積密度增大，導致納米硬度和拉伸斷裂閾值均升高。

3. 退火使可移動的原子重新分布，減少易變形的薄弱區域，增強非晶合金的結構均勻性，同時平衡了原子尺度的應力分布。這種結構演變減少了納米硬度值的分散程度，且提高了拉伸斷裂的可靠性。

寧志良，教授，博士生導師，哈爾濱工業大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室教師。先后主持承擔國家自然科學基金面上項目、國家部委基金項目、科技部國際合作項目、黑龍江省科技攻關重點項目。獲得省部級科技進步二等獎三項，發表論文140余篇，其中SCI收錄80余篇，獲授權發明專利40項，申報發明專利70余項。

黃永江，教授，工學博士，博士生導師，英國皇家學會牛頓學者，黑龍江省高層次人才，中國金屬學會非晶合金分會委員，中國熱處理行業協會汽車鋼分會副理事長。主要從事新型航天金屬材料的增材/增減材智能制造、亞穩金屬材料(包括非晶合金及其復合材料、輕合金、高熵合金等）、液態金屬等方向研究工作。獲黑龍江省科技進步二等獎一項，黑龍江省自然科學二等獎一項，黑龍江省高校自然科學一等獎和二等獎各一項。在Advanced Materials，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Additive Manufacturing，Materials Future，Corrosion Science等國際著名學術雜志上發表SCI收錄論文230篇，被Science等權威雜志引用6218次（單篇最高SCI引用280余次），ESI高被引3篇，1篇論文入選中國知網高影響力論文，1篇論文入選Rare Metals雜志年度最佳論文，H因子40，申請專利79項，授權50項，擔任6個國際期刊編委/青年編委。

張彥明，工學博士，畢業于美國倫斯勒理工學院，美國康寧Glass Age Scholar獲得者。主要從事亞穩金屬材料與無機非金屬材料的研究工作。在Nature Nanotechnology，Nano Letters，Acta Materialia，Journal of the American Ceramic Society 等國際知名高水平學術期刊發表多篇論文，申報發明專利10余項。擔任ACS Omega，Journal of Applied Physics等國際知名學術期刊審稿人。

蘇爽，哈爾濱工業大學博士生，韓國首爾國立大學聯合培養博士生。主要從事非晶合金及其復合材料的力學性能調控和增材制造研究。以第一及共同作者在Acta Materialia，Journal of Materials Science & Technology，Virtual and Physical Prototyping，Composites Part B: Engineering等國際著名學術期刊發表SCI收錄論文10余篇，谷歌學術引用250余次。參與國家自然科學基金面上項目的研究工作，擔任Journal of Materials Research and Technology等國內外重要學術期刊審稿人。