冷轧预变形对锆基块体非晶合金结构及动态弛豫行为的影响机制研究

　　本研究针对锆基块体非晶合金(BMG)的脆性问题，通过冷轧预变形引入剪切带，系统分析了其结构软化、自由体积(free volume)增加及β弛豫强化的关联性。结果表明：80%变形量样品弛豫焓达5.09±0.67 kJ/mol，剪切带区域硬度降低31.7%，β弛豫强度提升44%-80%，为BMG塑性优化提供了微观机制新见解。

　　

在材料科学领域，锆基块体非晶合金(Bulk Metallic Glass, BMG)因其独特的非晶结构展现出卓越的力学性能和抗腐蚀能力，但室温下的脆性问题始终是制约其工程应用的"阿喀琉斯之踵"。这种脆性源于非晶合金特殊的变形机制——几乎所有塑性应变都集中在仅数十纳米厚的剪切带(shear band)中，缺乏有效的能量耗散途径，最终导致灾难性断裂。更棘手的是，传统金属中通过位错增殖实现的加工硬化效应在BMG中完全失效，剪切带区域反而会出现应变软化现象。如何破解这一难题，成为近年来非晶合金研究的关键挑战。

针对这一科学瓶颈，中国科学院物理研究所等机构的研究人员独辟蹊径，通过冷轧预变形技术在Zr_52.5
Cu_17.9
Ni_14.6
Al₁₀
Ti₅
BMG中可控引入剪切带网络，系统研究了变形程度对材料结构演变和动态弛豫行为的影响。这项发表在《Journal of Non-Crystalline Solids》的工作揭示：预变形不仅能显著增加材料自由体积(free volume)，还能通过调制β弛豫行为从根本上改善BMG的塑性潜能。

研究团队采用多尺度表征技术：通过差示扫描量热法(DSC)定量测定弛豫焓；利用纳米压痕技术绘制硬度分布图；结合动态力学分析(DMA)解析β弛豫强度变化；采用X射线衍射(XRD)和密度测量追踪结构演化。特别值得注意的是，针对剪切带这一纳米尺度特征，研究人员创新性地运用混合原理(mixing principle)分离出剪切带区域的专属参数。

结构表征部分显示，冷轧变形在BMG中构建了梯度化剪切带网络，其密度变化符合logρ=0.577–2.973e^-2εp

的定量关系。当变形量达到80%时，材料内部自由体积含量提升至0.92±0.12%，相当于在非晶基体中构建了微观尺度的"结构缓冲带"。

硬度变化研究呈现惊人发现：80%变形样品的平均维氏硬度(HV)降至472±5，而剪切带核心区硬度更是骤降31.7%至355±16。这种软化现象与自由体积增加直接相关，剪切带区域的自由体积含量(1.42%)和弛豫焓(7.877 kJ/mol)均显著高于基体，证实了变形诱导的结构 rejuvenation（ rejuvenation ）效应。

最具突破性的发现出现在动态弛豫行为分析中：与铸态样品相比，80%变形样品的β弛豫强度提升44%，而剪切带区域的增幅更达80%。这一现象揭示了预变形通过增加松散原子团簇(loosely packed regions)数量，显著增强了非晶合金的局部原子重排能力——这正是改善BMG塑性的关键微观机制。

该研究通过建立"预变形程度-剪切带特征-弛豫行为-力学性能"的定量关系，为BMG的塑性优化提供了新思路：通过可控冷轧变形在材料中构建梯度化剪切带网络，既能通过自由体积增加缓解应力集中，又能通过增强β弛豫提升能量耗散能力。这种"以柔克刚"的策略不仅解决了BMG的脆性难题，其揭示的"结构弛豫-力学性能"关联规律更为设计新型高塑性非晶材料提供了理论基石。正如通讯作者Baoan Sun强调的，这项工作将剪切带研究从单纯的形貌观测推进到定量化参数提取阶段，标志着非晶合金变形机制研究迈入新纪元。