《非晶合金的離子輻照效應(yīng)》一文主要討論離子輻照對(duì)非晶合金微觀結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)性能以及其他物理化學(xué)性能的影響，可為進(jìn)一步理解非晶合金微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系提供有效的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，也可為非晶合金在強(qiáng)輻照環(huán)境下的服役性能預(yù)測(cè)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。上述工作的通信作者為上海大學(xué)材料研究所，微結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王剛教授。

一、引言

       非晶合金是指結(jié)構(gòu)類似于玻璃的無(wú)固定形態(tài)的金屬或合金，通過(guò)快速凝固技術(shù)而得到的一種新型金屬合金材料。

       相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，非晶合金由于不含晶體缺陷，表現(xiàn)出了較高的硬度、斷裂韌度和屈服強(qiáng)度。因此，非晶合金有望成為應(yīng)用于強(qiáng)輻照環(huán)境下的備選材料。

二、非晶合金的離子輻照效應(yīng)

       非晶合金的離子輻照效應(yīng)是指離子與非晶合金的相互作用而引起非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)和力學(xué)性能的變化。

       （1）離子輻照對(duì)非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的影響

       由于沒(méi)有晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，非晶合金經(jīng)離子輻照后，其微觀結(jié)構(gòu)最明顯的變化就是非晶相發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變。

       最近Luo等研究了300keVAr+ 輻照對(duì)熱穩(wěn)定較好的Zr61.5Cu21.5Fe5Al12非晶合金的影響，結(jié)果如下圖所示。

       因此，他們認(rèn)為非晶合金發(fā)生晶化的原因不是由入射離子能量損失引起溫度上升造成的，而是因?yàn)樵与x位使得非晶合金局域密度產(chǎn)生波動(dòng)，增強(qiáng)了原子的運(yùn)動(dòng)能力。

       為了限制離子輻照造成樣品溫度的升高，Rizza等選用5GeV Pb+對(duì)Fe基非晶合金進(jìn)行輻照，輻照溫度始終維持在90K以下。對(duì)輻照樣品進(jìn)行HRTEM觀察，發(fā)現(xiàn)離子輻照形成直徑10nm的軌道中心，其衍射襯度明顯高于周圍基體，如下圖所示。

       由以上研究結(jié)果可知，離子輻照確實(shí)能夠引起非晶合金的非晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能會(huì)發(fā)生無(wú)序到有序的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，即晶化，也可能會(huì)使得無(wú)序化的結(jié)構(gòu)更加無(wú)序，從而增加自由體積等結(jié)構(gòu)缺陷。

       （2）離子輻照對(duì)非晶合金力學(xué)性能的影響

       離子輻照引入外界能量，使得非晶合金的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而結(jié)構(gòu)上的改變勢(shì)必帶來(lái)力學(xué)性能的變化。

       通過(guò)微米柱壓縮實(shí)驗(yàn)，Raghavan等明確指出高劑量的離子輻照產(chǎn)生更多的自由體積，使得非晶合金變形軟化，輻照樣品的屈服強(qiáng)度低于未輻照樣品的30%，輻照樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖所示。

       他們認(rèn)為輻照后的樣品以均勻變形的方式耗散大部分應(yīng)變能，從而表現(xiàn)出顯著的塑性。

       Bian等利用Xe26+輻照Z(yǔ)r基非晶合金，然后對(duì)輻照樣品的力學(xué)性能進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)0.5dpa輻照樣品與未輻照樣品相比，其屈服強(qiáng)度和硬度明顯降低，再增加輻照劑量，屈服強(qiáng)度和硬度反而增大。

       如上圖所示，原位拉伸實(shí)驗(yàn)表明四個(gè)輻照劑量下的樣品均呈現(xiàn)出頸縮現(xiàn)象，均會(huì)在頸縮區(qū)域發(fā)生剪切斷裂。

       他們認(rèn)為，低劑量的離子輻照引入了比未輻照樣品更多的自由體積，并且輻照誘發(fā)非晶合金表面產(chǎn)生黏性流動(dòng)，使得自由體積增加且分布更加均勻，因此硬度和屈服強(qiáng)度降低，而塑性變形能力顯著提高。

       由此可見(jiàn)，通過(guò)控制離子輻照的能量和輻照劑量等參數(shù)，可以選擇性地調(diào)控非晶合金的結(jié)構(gòu)，從而獲得綜合性能優(yōu)異的非晶合金。這也說(shuō)明了離子輻照調(diào)控非晶合金性能具有簡(jiǎn)單易行、可控性強(qiáng)的特性，為材料的設(shè)計(jì)提供了一種有效可行的手段。

       （3）離子輻照對(duì)非晶合金其他性能的影響

       離子輻照對(duì)非晶合金的影響除了強(qiáng)度和塑性之外，還對(duì)其他性能有著重要影響。

       Yang等發(fā)現(xiàn)Co+注入Zr基非晶合金內(nèi)，其摩擦系數(shù)降低了52%，因此離子輻照能夠改善非晶合金的耐摩擦性能。

       Sort等研究了Ar+輻照和輻照溫度對(duì)Zr基和Ti基非晶合金物理化學(xué)性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，這兩種非晶合金在620K(小于T g)和298K輻照后的潤(rùn)濕角沒(méi)有明顯改變，但經(jīng)620K退火后，非晶合金的疏水性提高。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)298 K下離子輻照對(duì)非晶合金的耐腐蝕性能幾乎沒(méi)有影響，而在620 K下離子輻照能夠顯著提高Ti基非晶合金的耐腐蝕性能。

三、結(jié)論

       離子輻照對(duì)非晶合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響取決于輻照離子的能量和非晶合金的成分；離子輻照在非晶合金中主要以核能量損失造成的結(jié)構(gòu)缺陷和輻照損傷為主；離子輻照能夠引入大量的自由體積等結(jié)構(gòu)缺陷，增強(qiáng)原子的運(yùn)動(dòng)能力，從而使得非晶的結(jié)構(gòu)更加無(wú)序或者發(fā)生晶化。

       盡管關(guān)于非晶合金離子輻照效應(yīng)的研究在實(shí)驗(yàn)和理論上取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于非晶合金離子輻照效應(yīng)的研究仍需進(jìn)一步深入，非晶合金真正應(yīng)用于核反應(yīng)堆、航空航天等強(qiáng)輻照環(huán)境仍有待進(jìn)一步的研究。