ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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中国材料基因工程研究进展
材料基因工程是材料领域的颠覆性前沿技术,将对材料研发模式产生革命性的变革,全面加速材料从设计到工程化应用的进程,大幅度提升新材料的研发效率,缩短研发周期,降低研发成本,促进工程化应用。本文从基础理论与方法、关键技术与装备、新材料研发与工程化应用、人才培养以及材料基因工程新理念的形成和推广等方面,综述了中国材料基因工程的研究进展,并提出了未来发展方向建议。
金属学报, 2020 Vol. 56 (10): 1313-1323    DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00199
 
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SiCf/TiAl复合材料界面反应及热稳定性 PDF (1832KB)
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  2021年, 第57卷, 第4期 刊出日期:2021-04-11 上一期   
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非晶与高熵合金专刊前言
汪卫华, 张哲峰
金属学报. 2021, 57 (4): 1-.  
摘要   PDF (1368KB)
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综述
高熵合金中的晶格畸变
杨勇, 赫全锋
金属学报. 2021, 57 (4): 385-392.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00359
摘要   HTML   PDF (1866KB)

传统上,晶格畸变被认为是高熵合金区别于普通合金的结构特征。然而如何理解和表征在高熵合金中的晶格畸变还是一个悬而未决的问题。本文以最近发表的理论工作(包括理论模型和第一性原理计算)和实验工作为基础,主要探讨在高熵合金(乃至成分复杂合金)中晶格畸变(以及伴生的内禀残余应力或应变场)的物理来源以及实验特征。

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高熵合金中的元素分布规律及其作用
余倩, 陈雨洁, 方研
金属学报. 2021, 57 (4): 393-402.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00433
摘要   HTML   PDF (1739KB)

高熵合金作为一类多主元的复杂合金,其与传统合金相比可能表现出更好的力学性能和不同变形机制。而这些现象所对应的高熵合金与传统合金在原子结构特点上的本质区别一直存在争议。大量研究表明,由于高熵合金中各组成元素的原子特性不同,其可能普遍存在原子尺度上的元素分布不均匀性,这使得材料的结构性能关系用经典的固溶强化等理论并不能被完全理解。本文以面心立方、体心立方及双相高熵合金为分类,总结了高熵合金中与元素分布相关的研究,从浓度波和短程有序这两个方面出发,分别展开讨论;并拓展到其对材料位错行为和力学性能的影响;最后,对未来高熵合金中元素分布规律的探索进行了展望。

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纳米晶合金热稳定性的熵调控设计
王一涵, 原园, 喻嘉彬, 吴宏辉, 吴渊, 蒋虽合, 刘雄军, 王辉, 吕昭平
金属学报. 2021, 57 (4): 403-412.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00494
摘要   HTML   PDF (1618KB)

具有纳米尺度晶粒的纳米晶合金由于具有高强度和高硬度而成为材料领域的关注热点,然而,由于晶界占比高,纳米晶合金的热稳定性差,严重制约了在高温甚至室温下的应用。近年来,纳米晶高熵合金由于显著的高熵效应而展现出特殊性能,这一效应同时能在一定程度上缓解纳米晶在较高温度下的低热稳定性问题。本文通过对纳米晶合金常用的热稳定策略和相关研究进展的分析与归纳,探讨从熵调控的角度利用多组元的高熵效应设计的具有高热稳定性的纳米晶高熵合金的稳定机理和力学性能。已有研究结果表明,纳米晶高熵合金有望拓宽纳米晶合金的领域,同时可为突破纳米晶合金低热稳定性瓶颈提供新的思路。

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高熵合金中的局域化学有序
丁俊, 王章洁
金属学报. 2021, 57 (4): 413-424.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00513
摘要   HTML   PDF (1813KB)

高熵合金以其多主组元、高构型熵的设计理念以及优异的性能(例如高强高韧、耐高温和耐辐照等)具有广阔的应用前景,成为近十多年来合金领域内的热点高性能结构材料。从首次发现至今,大多数研究基于经典的理想固溶体假设,然而最新的实验与计算结果显示高熵合金具有局域化学有序,并且会对力学性能产生一定的影响,相关研究在领域内引起了广泛的关注,成为新的研究热点。本文主要综述了高熵合金中局域化学有序的理论描述、实验表征及其对力学性能的影响,并简单展望了在原子尺度上数值化表征并调控局域化学有序,从而实现高熵合金性能优化的可能性和潜在优势。

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金属玻璃的结构年轻化及其对力学行为的影响
蒋敏强, 高洋
金属学报. 2021, 57 (4): 425-438.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00431
摘要   HTML   PDF (1990KB)

金属玻璃是高温合金熔体深度过冷至玻璃态转变温度,其内部原子构型来不及有序结晶而形成的玻璃态固体。这类金属键的玻璃体系在原子排列上不存在长程周期性,在热力学上处于远离平衡的亚稳态,在动力学上处于阻塞态。这些特征赋予金属玻璃一系列优异的力学、物理、化学等性能,比如,具有接近理想极限的高强度。然而,金属玻璃的室温塑性变形极易局域化形成纳米尺度的剪切带,导致其宏观塑性十分有限。此外,自发的物理老化会使系统向低能量的平衡有序态转变,进一步削弱金属玻璃在服役过程中的塑性变形能力,表现出老化脆性。近年来,有研究表明,外部能量的输入能够使金属玻璃的结构发生“年轻化”,从而达到在拓扑上更加无序的高焓状态。这一反物理老化过程能够有效改善金属玻璃的塑性变形能力,有望同时解决制约这类材料实际应用的剪切带和老化问题。因此,这方面的研究受到越来越多的关注。本文从玻璃的老化和年轻化概念出发,首先介绍了实现金属玻璃结构年轻化的主要方法,随后总结了影响年轻化的各种因素以及结构年轻化对金属玻璃塑性及其他力学行为的影响,并对金属玻璃结构年轻化的物理机制进行了评述。最后,对金属玻璃结构年轻化方面的研究进行了简要总结,并展望了该方面值得进一步研究的若干问题。

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非晶合金的回春行为
潘杰, 段峰辉
金属学报. 2021, 57 (4): 439-452.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00441
摘要   HTML   PDF (5788KB)

非晶合金兼具金属和玻璃、固体和液体特性,自被发现以来凭借其独特结构和优异性能成为凝聚态物理与材料科学领域的前沿热点。作为一种亚稳态材料,非晶合金具有向更低能量状态转变的趋势,称为老化或结构弛豫,此过程往往伴随着室温变形能力的恶化。作为结构弛豫的逆过程,回春是指非晶合金由低能态向高能态转变的过程。回春处理大大拓展了非晶合金的能量范围,这不仅能显著改善非晶合金室温变形能力,也为研究非晶合金的原子结构、玻璃转变和变形机理提供了新的机遇。本文简要综述了非晶合金回春的方法,回春行为对微观结构、力学性能和功能特性的影响,并对非晶合金回春行为的研究进行了简单展望。

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金属玻璃的剪切带变形与断裂机制研究进展
屈瑞涛, 王晓地, 吴少杰, 张哲峰
金属学报. 2021, 57 (4): 453-472.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00428
摘要   HTML   PDF (20295KB)

金属玻璃的室温塑性变形一般高度局域于剪切带中,因此剪切带行为主导着金属玻璃的变形与断裂机制,对力学性能(如强度、塑性、韧性及疲劳性能等)有重要影响。鉴于剪切带行为对理解和改善金属玻璃力学性能的极端重要性,长期以来关于剪切带的研究一直是金属玻璃领域的热点之一。本文基于作者近年来在剪切带变形与断裂机制上的研究结果,阐述金属玻璃在静态和循环载荷下剪切带的扩展、开裂与失稳断裂机制,强调缺口等外在缺陷对剪切带的作用,提出调控金属玻璃力学性能的“缺陷工程”策略。

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物理气相沉积制备金属玻璃薄膜及其力学性能的样品尺寸效应
曹庆平, 吕林波, 王晓东, 蒋建中
金属学报. 2021, 57 (4): 473-490.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00430
摘要   HTML   PDF (18789KB)

金属玻璃薄膜是在金属玻璃的基础上发展出来的一种新型薄膜材料,一方面继承无序原子排列结构所赋予的优异物理、化学和机械性能,另一方面有可能通过调整物理气相沉积工艺,构筑界面,制备纳米结构金属玻璃薄膜,克服块体金属玻璃的本征脆性。近年来,金属玻璃薄膜在各个领域快速发展,引起广泛的关注,已经成为新的研究热点。本文主要通过回顾最近几年关于金属玻璃薄膜制备参数对微观结构和性能的影响以及样品尺寸效应,分析、总结研究工作进展,并对未来可能的金属玻璃薄膜研究进行简单展望,旨在为从事金属玻璃薄膜研究的人员提供参考。

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金属玻璃中的非晶多形态转变
曾桥石, 尹梓梁, 楼鸿波
金属学报. 2021, 57 (4): 491-500.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00465
摘要   HTML   PDF (3353KB)

由于独特的无方向性金属键“无序”密堆而成的原子结构,金属玻璃能够兼具传统玻璃和晶态金属2者的特性,拥有一系列优异的物理、化学和机械性能,被认为具有广阔的应用前景;同时金属玻璃也是研究非平衡无序体系基础科学问题的一个特殊模型,因此获得了广泛的关注。材料相变的研究对于深入理解其原子结构,并实现结构和性能的调控有重要意义。根据过去对非晶多形态的理解和认识,金属玻璃由于其高度致密的结构,在很长时间内被认为不可能具有非晶多形态转变。近年来,随着高压技术与同步辐射X射线原位探测技术的结合,金属玻璃中的非晶多形态转变现象被陆续发现;金属玻璃非晶多形态现象、机理以及伴随相变的各种性能变化得到了较广泛研究。本文简单总结了关于金属玻璃中压力诱导非晶多形态转变研究的已有进展,及其对金属玻璃结构和性能调控的影响。

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金属玻璃结构及其失稳的原子层次研究
管鹏飞, 孙胜君
金属学报. 2021, 57 (4): 501-514.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00514
摘要   HTML   PDF (12416KB)

金属玻璃无序结构的非均匀性特征给实验研究其原子尺度的结构特性带来了巨大挑战,目前的实验研究手段仍然受限于时空分辨率的不足,很难捕捉到金属玻璃微观结构的局域响应,而计算模拟能够从原子层次上理解非晶结构及其响应规律。但由于元素间相互作用、计算方法和计算能力的限制,用于计算模拟研究的模型体系和真实的金属玻璃材料之间还存在着难以逾越的鸿沟。充分利用和综合现代计算机技术、软件和算法的成果,探索和发展更有效的计算模拟体系应用于金属玻璃计算模拟研究是解决这一困境的可能途径。本文主要综述了近年来我们关于金属玻璃结构与失稳计算模拟研究的重要进展,及其对认识和调控材料性能、优化材料制备方面的影响,并对未来金属玻璃计算模拟研究进行了简要的展望。

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块体非晶合金铸造成形的研究新进展
刘日平, 马明臻, 张新宇
金属学报. 2021, 57 (4): 515-528.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00414
摘要   HTML   PDF (24950KB)

块体非晶合金的亚稳态结构特点,决定了其难于用常规的锻压或焊接等工艺手段进行构件或零件的加工制造,但利用块体非晶合金熔体的流动性进行铸造成形,是制造块体非晶合金构件或零件的有效技术手段。本文基于块体非晶合金的铸造成形,简要介绍了块体非晶合金熔体的流动性与充型能力,真空压铸、真空吸铸、以及水冷铜坩埚重力铸造与相变制冷铸造成形的技术方法与应用,探讨了非晶合金铸造成形过程需要解决的理论问题和需要攻克的技术瓶颈,展望了块体非晶合金的工程应用前景。

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块体非晶合金的3D打印成形研究进展
李宁, 黄信
金属学报. 2021, 57 (4): 529-541.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00450
摘要   HTML   PDF (12925KB)

当前,块体非晶合金作为结构材料,其应用不仅面临室温脆性挑战,而且遭遇成形制造瓶颈。解决上述难题已成为近年来材料领域的研究热点与难点之一。近年来发展起来的3D打印技术,已逐渐成为解决块体非晶合金现存困境,实现工程应用的有效途径之一。然而,由于非晶合金具有与晶态材料完全不同的原子结构,3D打印成形中的微观组织演变、缺陷形成与抑制、性能调控等方面的基础理论不同于常规晶态材料,深入剖析上述科学问题对促进块体非晶合金3D打印成形技术的发展具有重要意义。本文依据近年来的国内外研究动态,针对上述问题进行综合分析,并对其发展趋势进行展望。

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研究论文
具有异常放热现象的Fe-Nb-B-Y非晶合金燃烧机理
胡祥, 葛嘉城, 刘思楠, 伏澍, 吴桢舵, 冯涛, 刘冬, 王循理, 兰司
金属学报. 2021, 57 (4): 542-552.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00420
摘要   HTML   PDF (13256KB)

通过同步辐射原位高能X射线衍射,结合差式扫描量热、热重分析、X射线光电子能谱等检测手段,对具有异常放热现象的铁基非晶合金条带的燃烧机理进行了系统研究。结果表明,相比不具有异常放热现象、无法自蔓延燃烧的Fe-Nb-B-Y非晶合金成分,具有异常放热现象的(Fe0.72B0.24Nb0.04)95.5Y4.5非晶条带由于快速晶化放热过程的催化,能够实现低着火点及自蔓延燃烧。与液-液相变相关联的异常放热现象诱导了升温过程中的快速晶化,并导致高温下的多步氧化反应。同时液-液相变导致高温氧化阶段的激活能降低,从而降低反应能垒,促进高温下的氧化反应。研究表明异常放热现象及其关联的液-液相变对铁基非晶合金的燃烧有“诱导活化”作用。

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非晶态Ni80P20合金的玻璃转变和过冷液体性质
杨群, 彭思旭, 卜庆周, 于海滨
金属学报. 2021, 57 (4): 553-558.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00379
摘要   HTML   PDF (2246KB)

镍磷(Ni80P20)金属玻璃是最典型和被研究最多的金属玻璃成分之一。然而,由于镍磷金属玻璃在加热过程中玻璃转变过程被晶化所阻断,到目前为止其过冷液体性质还没有被探测和表征。本工作通过具有高升温速率的超快量热仪,避免了Ni80P20金属玻璃在玻璃转变过程中的晶化,直接探测其整个玻璃转变过程和一定温度宽度的过冷液相区,为揭示其超冷液体性质提供了可能。通过超快量热测量,获得了Ni80P20金属玻璃在5个数量级升温速率变化下的相形成规律和液体脆度,它的超冷液体展现出比大部分块体金属玻璃更“脆”的一种液体行为,这种“脆”性液体行为可能导致其差的玻璃形成能力。

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非晶合金粉末作为润滑油添加剂的摩擦学性能
毕甲紫, 刘晓斌, 李然, 张涛
金属学报. 2021, 57 (4): 559-566.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00429
摘要   HTML   PDF (13745KB)

采用水雾化法制备得到了超细Mn55Fe25P10B7C3非晶合金粉末,将其作为润滑油添加剂以不同含量加入到PAO6基础油中,利用四球摩擦实验系统评估了粉末添加前后润滑油的摩擦系数、对磨球的磨斑尺寸、表面形貌和表面粗糙度等,从而对比获得了该类非晶合金粉末添加对PAO6基础油摩擦学性能的影响。结果表明,水雾化合金粉末的颗粒呈近球形,筛分过1000目的粉末(中位粒径为2.8 μm)为完全非晶态,且有高占比的亚微米粉末(直径在1 μm以下的颗粒数目约占12%);在PAO6润滑油中添加适量该类具有高硬弹比(H/E)且与摩擦副的模量相接近的超细非晶合金粉末后,其摩擦系数与磨斑直径均显著降低,最大降幅分别可达57.1%和15.6% (对应添加0.5% (质量分数)的非晶粉末时),说明该类非晶粉末润滑油添加剂具有良好的降低摩擦系数和减磨效果;观察对比测试后磨球表面的形貌和粗糙度表明:该类非晶粉末在磨球表面可以产生明显的碾抹效应,从而提高了基础油的减摩和抗磨性能。

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Ag元素添加对Cu-Zr-Al基金属玻璃纳米压痕行为的影响
张倪侦, 马昕迪, 耿川, 穆永坤, 孙康, 贾延东, 黄波, 王刚
金属学报. 2021, 57 (4): 567-574.   DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00009
摘要   HTML   PDF (4049KB)

采用铜模吸铸法制备得到不同Ag含量的Cu45Zr45Al10-xAgx (x = 1、2、3、5,原子分数,%)金属玻璃。利用纳米压痕技术系统地探讨了Ag元素添加对Cu-Zr-Al基金属玻璃纳米塑性变形行为的影响。借助经验方程拟合纳米压痕蠕变曲线求得应变速率敏感指数(m),进而计算出蠕变过程中的剪切转变区体积(Ω)。通过Kohlrausch-Williams-Watts方程拟合蠕变深度曲线,分析蠕变过程中的弛豫行为。结果表明,Ag含量增加导致KWW方程的扩展指数(β)增加。与此同时,Cu-Zr-Al基金属玻璃的硬度随微量Ag元素含量的增加而提高,并且在维持高硬度的基础上提高了塑性。本工作为理解金属玻璃热稳定性与力学性能的相关性奠定了基础。

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