相似元素替代对块体非晶合金力学性能的影响

从相似元素（即具有相近原子尺寸和价电子构型的元素）替代能够改善Fe基非晶合金玻璃形成能力和力学性能这一现象出发，依照价电子构型特征，选择元素周期表中不同区域内的相似元素作为合金基体，即sp区(Mg,Al)、d区 (Fe,Co,Ni)、(Ni,Cu)以及f区(La,Ce)，采用相似相异元素共存的非晶合金组分设计方法构建相对简单的伪二元或伪三元合金组分，并利用铜模铸造法制备获得相应的块体非晶合金样品。评估相似元素替代对块体非晶合金力学性能的影响，建立元素替代量与合金弹性常数、强度、变形以及断裂行为之间的关系。进一步，利用高能同步辐射和电子能量损失谱的实验方法并结合计算模拟，定量化研究相似元素替代对非晶合金团簇结构和价电子浓度的影响，从而在原子结构和电子结构的微观层面上深入探讨相似元素替代对其力学性能的影响机制。研究结果将对于开发新型高性能块体非晶合金具有重要的理论指导意义。

块体非晶合金是一类具有优异力学性能（如：高强度、高硬度、大弹性极限等）的无序金属材料，有望作为先进结构材料得以广泛应用，因此如何对块体非晶合金的组成及其性能（特别是力学性能）进行设计调控一直本领域的研究热点。基于项目负责人先期提出的相似相异元素共存的非晶合金组成设计方法，我们研发获得了5种新型由相异元素组成的三元块体非晶合金模型体系，即：Co-Ta-B、Fe-P-C、Zr-Fe-Al、La-Al-C和Ho-Al-Co，并系统评估了其组分与玻璃形成、弹性模量以及力学性能的之间的关系，并进一步研究了相似元素替换对其性能的影响，结合实验测量和计算模拟手段揭示了合金化元素添加和替代对非晶合金性能的影响机制。我们研发获得了屈服及断裂强度超过6GPa的Co-Ta-B系块体非晶合金材料，该材料是目前已知最高强度及比强度的块体金属材料；获得了兼具良好力学性能和软磁性能的低成本高Fe含量的Fe-P-C系块体非晶合金材料。此外，在多个体系中验证了相似相异元素共存的非晶合金设计方法对玻璃形成能力提高的有效性，并揭示了相异元素可以在较大范围内调节合金的物理特性，如特征温度、弹性模量，压缩力学强度等，而相似元素则可以在一定程度上对基础三元合金的相关性能进行微调整。本项目的相关结果为研究非晶合金提供了一系列模型材料，并为非晶合金的组分和性能的调控提供了大量实验基础和有效手段。在本项目的支持下，在Acta Mater.、Scripta Mater.、Appl. Phys. Lett.等材料领域国际期刊（SCI）上共计发表论文24篇，申请国家发明专利4项，其中1项已获批。