武汉理工大学船海与能源动力工程学院师生在Nature子刊《自然通讯》发表最新研究成果

我校船海与能源动力工程学院教师团队，在结构金属剪切失效难题方面取得突破性进展，首次发现超域非晶化机制，成功消除顽固性的剪切破坏，使合金抗损伤能力提升150%！。相关成果以 “Hyper-Range Amorphization Unlocks Superior Damage Tolerance in Alloys”为题，发表在自然子刊Nature Communications《自然通讯》上。我校为论文第一署名单位，船海与能源动力工程学院博士研究生杜金亮为论文第一作者，李营教授为通讯作者。

金属装备可靠性取决于合金的损伤容限。提高损伤容限需要在强度和延展性之间取得微妙的平衡。固体力学中长期存在的挑战是剪切带带来的限制，其控制着合金在各种应变速率下的失效机制，这似乎难以避免。

高度局部化的强塑性变形区域伴随剪切带的萌生，归为灾难性失效的前兆。剪切带内严重的晶格畸变会导致位错堆积或非晶化，发展为微裂纹。传统观点认为，由于缺乏滑移系，非晶化不利于塑性变形，可能加速晶格不稳定性。然而，近期研究表明，在特定条件下，非晶化可以促进塑性载荷传递，有利于提高材料抗损伤能力。然而，其固有的局部性（通常局限于纳米尺度）使得非晶化无法有效地抵消与剪切带相关的结构退化。

论文阐述了合金微柱中利用超域非晶化机制取代剪切带。通过施加跨多个应变速率的连续压缩（称为应变训练），非晶化范围突破了传统的纳米尺度限制，达到了前所未有的~1.34 μm，相当于变形微柱高度的三分之一。传统非晶或玻璃态合金通常通过快速淬火或合金化抑制结晶的方法制备。相比之下，我们提出的应变训练策略通过机械加载直接在晶体合金中诱导非晶化，从而绕过了热加工的限制。这种方法与其他非热非晶化途径（如离子辐照、熔融淬火过程或单辊熔融纺丝）截然不同。双球差校正透射电子显微镜和密度泛函理论计算表明，自上而下的位错梯度介导了拓扑晶格缺陷积累，引发长程原子重排和纳米晶体恢复，耗散高达~6 GPa的剪切应力。与传统合金损伤容限认知不同，高应变速率下得到的强度不再是上限，超域非晶化使合金极限抗压强度和延展性几乎是其两倍。