非晶合金因其独特的力学行为和功能特性而受到固体力学、凝聚态物理和材料科学等领域的广泛关注。非晶合金通常由合金熔体通过急速快冷过程制备得到，物理时效(老化)使玻璃体系向更稳定(或更低)的能量状态迁移。老化的反向过程称为年轻化(又称为回春)，回春致使非晶合金向高能量状态迁移。老化与回春对非晶合金的物理/力学性能产生重要的影响。

针对上述问题，力学与土木建筑学院乔吉超教授课题组对非晶合金进行机械循环和室温冷轧，从而发生回春行为。详细研究了非晶合金在不同能量状态的力学性能，相关研究工作发表于International Journal of Plasticity。

主要成果 1. 通过机械循环调控非晶合金b弛豫强度实现了玻璃体系年轻化。即使在极少的周期和较低的频率下，机械循环也调控非晶合金的微观结构非均匀性。随着机械循环强度(应力幅值、应力率或平均应力)的增加，非晶合金机械能增加，这种输入的额外的机械能可以抑制和抵抗老化，从而实现非晶合金年轻化。通过年轻化处理，非晶合金b弛豫强度增强的同时峰温向低温方向偏移，其弛豫时间分布也更加广泛，如图1所示。回春可以提高非晶合金的能量状态，提高其原子移动性，与老化行为形成了鲜明的对比(如图2所示)。这些新发现有助于增进对通过机械循环实现非晶合金年轻化的进一步认识。

该论文西北工业大学（第一单位）博士研究生张浪渟为第一作者，乔吉超教授为通讯作者。共同作者有中科院力学研究所王云江研究员、西班牙加泰罗尼亚理工大学Eloi Pineda教授以及香港城市大学杨勇教授。该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 51971178、12072344)、陕西省杰出青年自然科学基础研究计划(No. 2021JC-12)、重庆市自然科学基金(No. cstc2020jcyj-jqX0001)、西北工业大学博士学位论文创新基金会(No. CX2021015)、中国科学院青年创新促进会、MICINN (PID2020-112975GB-I00)、Generalitat de Catalunya (2017SGR0042)、General Research Fund (CityU11200719、CityU11213118)以及香港政府研究资助局(Nos. CityU11200719、CityU11213118)等项目的资助。

图1 (a) 铸态、老化处理和年轻化处理后试样归一化损耗模量随温度的演化；b弛豫单元分布随(b)温度和(c)弛豫时间的演化。

图2 (a)不同能量状态非晶合金弛豫时间随温度的演化，插图为b弛豫和原子移动性随老化或年轻化的演化；(b)机械循环过程中老化与年轻化的竞争行为；(c) 非晶合金年轻化和老化行为指标

主要成果 2.借助纳米压痕，观察典型Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀非晶合金在不同能态(铸态、退火态和回春态)下的折合模量和硬度(图3)，发现微观结构在调整力学行为中起着重要作用(图4)。基于Mohr-coulomb准则，通过有限元模拟纳米压痕结果，得到不同能量状态非晶合金内摩擦系数。研究结果表明，内摩擦系数随流动缺陷浓度的增加而减小。从蠕变阶段得到的应力指数对非晶合金能量状态有很强的依赖性。此外，对非晶合金塑性变形过程中应力突陷(displacement bursts)进行了统计分析，发现应力突陷行为对合金能量能态很敏感。建立了应力突陷尺寸与局部剪切带尺寸之间的关系，该研究结果有助于加深理解非晶合金变形机制。

该论文西北工业大学力学与土木建筑学院博士研究生陶凯和中国科学院物理研究所李福成博士为共同第一作者，乔吉超教授为通讯作者。共同作者有中国科学院物理研究所柳延辉研究员，山东大学宋凯凯教授和西班牙加泰罗尼亚理工大学Eloi Pineda教授。该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 51971178、51871132)、陕西省杰出青年科学基金(No. 2021JC-12)、重庆市自然科学基金(No. cstc2020jcyj-jqX0001)、MICINN (PID2020-112975GB-I00)、Generalitat de Catalunya (2017SGR0042)等项目的资助。

图3不同能量状态非晶合金折合模量分布云图及其对应统计分布

图4 (a) 压痕点阵光学显微图像，(b) 铸态、冷轧态和退火态非晶合金样品折合模量累计概率分布，(c)硬度的累积概率分布，(d)硬度与折合模量的对应关系：硬度与折合模量呈线性关系。

论文信息如下：

[1] L.T.Zhang,Y.J.Wang,E.Pineda,Y.Yang,J.C.Qiao*, Achieving structural rejuvenation in metallic glass by modulating β relaxation intensity via easy-to-operate mechanical cycling, International Journal of Plasticity. 157 (2022) 103402.(https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103402)

[2] K.Tao^#,F.C.Li^#, Y.H.Liu, E.Pineda, K.K.Song, J.C.Qiao*,Unraveling the microstructural heterogeneity and plasticity of Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀ bulk metallic glass by nanoindentation, International Journal of Plasticity. 154 (2022) 103305.(https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103305)

（图文：张浪渟 陶凯；审核：温世峰）