非晶合金能用于核反應堆、航空航天器件中嗎？

       《非晶合金的離子輻照效應》一文主要討論離子輻照對非晶合金微觀結構、宏觀力學性能以及其他物理化學性能的影響，可為進一步理解非晶合金微觀結構和宏觀力學性能之間的關系提供有效的實驗和理論基礎，也可為非晶合金在強輻照環境下的服役性能預測提供實驗依據。上述工作的通信作者為上海大學材料研究所，微結構重點實驗室王剛教授。

一、引言

       非晶合金是指結構類似于玻璃的無固定形態的金屬或合金，通過快速凝固技術而得到的一種新型金屬合金材料。

       相對于傳統金屬材料，非晶合金由于不含晶體缺陷，表現出了較高的硬度、斷裂韌度和屈服強度。因此，非晶合金有望成為應用于強輻照環境下的備選材料。

二、非晶合金的離子輻照效應

       非晶合金的離子輻照效應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構、物理化學和力學性能的變化。

       （1）離子輻照對非晶合金微觀結構的影響

       由于沒有晶界、位錯等晶體缺陷，非晶合金經離子輻照后，其微觀結構最明顯的變化就是非晶相發生晶化轉變。

       最近Luo等研究了300keVAr+ 輻照對熱穩定較好的Zr61.5Cu21.5Fe5Al12非晶合金的影響，結果如下圖所示。

       因此，他們認為非晶合金發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，而是因為原子離位使得非晶合金局域密度產生波動，增強了原子的運動能力。

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

       由以上研究結果可知，離子輻照確實能夠引起非晶合金的非晶相結構發生改變，可能會發生無序到有序的結構轉變，即晶化，也可能會使得無序化的結構更加無序，從而增加自由體積等結構缺陷。

       （2）離子輻照對非晶合金力學性能的影響

       離子輻照引入外界能量，使得非晶合金的結構發生改變，而結構上的改變勢必帶來力學性能的變化。

       通過微米柱壓縮實驗，Raghavan等明確指出高劑量的離子輻照產生更多的自由體積，使得非晶合金變形軟化，輻照樣品的屈服強度低于未輻照樣品的30%，輻照樣品的應力-應變曲線如下圖所示。

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

       Bian等利用Xe26+輻照Zr基非晶合金，然后對輻照樣品的力學性能進行表征，發現0.5dpa輻照樣品與未輻照樣品相比，其屈服強度和硬度明顯降低，再增加輻照劑量，屈服強度和硬度反而增大。

       如上圖所示，原位拉伸實驗表明四個輻照劑量下的樣品均呈現出頸縮現象，均會在頸縮區域發生剪切斷裂。

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

       由此可見，通過控制離子輻照的能量和輻照劑量等參數，可以選擇性地調控非晶合金的結構，從而獲得綜合性能優異的非晶合金。這也說明了離子輻照調控非晶合金性能具有簡單易行、可控性強的特性，為材料的設計提供了一種有效可行的手段。

       （3）離子輻照對非晶合金其他性能的影響

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

       Yang等發現Co+注入Zr基非晶合金內，其摩擦系數降低了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Zr基和Ti基非晶合金物理化學性能的影響。他們發現，這兩種非晶合金在620K(小于T g)和298K輻照后的潤濕角沒有明顯改變，但經620K退火后，非晶合金的疏水性提高。同時也發現298 K下離子輻照對非晶合金的耐腐蝕性能幾乎沒有影響，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、結論

       離子輻照對非晶合金微觀結構和力學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構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構缺陷，增強原子的運動能力，從而使得非晶的結構更加無序或者發生晶化。

       盡管關于非晶合金離子輻照效應的研究在實驗和理論上取得了一定的進展，但關于非晶合金離子輻照效應的研究仍需進一步深入，非晶合金真正應用于核反應堆、航空航天等強輻照環境仍有待進一步的研究。