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在 块状金属玻璃(BMGs) 中引入更松散的原子堆积区域，可以促进塑性变形，使BMGs在室温下更具延展性。在此， 来自北京 科技 大学的吕昭平等研究者，提出了一种不同的合金设计方法，即掺杂非金属元素形成密集的填充图案。 相关论文以题为“Substantially enhanced plasticity of bulk metallic glasses by densifying local atomic packing”发表在Nature Communications上。
论文链接：
块状非晶玻璃从液态继承了无序的非晶结构。由于缺乏作为低势垒变形载体的晶体缺陷，如位错和堆垛缺陷，BMGs通常比它们的晶体对应物更强、更硬。然而，BMGs合金在室温下拉伸塑性极低，在载荷作用下往往发生灾难性破坏，严重阻碍了其广泛应用。与晶体相不同的是，BMGs的无序原子堆积不易定量描述，只有有限的方法来调整它们的结构-性能关系。因此， 调整BMGs的力学性能以克服其室温脆性，一直是一个长期存在的挑战。
在远低于玻璃化转变温度的BMGs中，塑性变形主要是由于局部扩散跃迁或被称为剪切转变区(shear transformation zone, STZs)的原子团簇的局部共同剪切事件，即一组原子共同克服了局部原子重排的能量势垒鞍点。 变形能力源于金属键合所固有的灵活性： 离域电子允许金属原子在彼此之间滑动而不受键合断裂的影响，而键合断裂有利于损伤而非剪切，例如在离子玻璃中。尽管局部剪切转变开始的位置仍然难以预测，但人们普遍认为，在BMGs中引入更松散的填充区域，可以有效地促进局部塑性事件。这些区域具有较高的局部势能，在加载时容易发生非弹性变形，表现为类液体行为。 因此，增加松散填充区域的数量，可以有效地提高BMGs的塑性。
这种材料设计路线，通过低温热循环或严重塑性变形等方法提高了BMGs的塑性，这些方法通常通过增加密度较低区域的可用性来增强结构波动。然而，目前大多数提高GMGSD塑性的方法，通常会由于引入更松散的填充区域而降低热稳定性和屈服强度。相比之下，松散填充区域的湮没通常被认为可以提高强度和硬度，并改善热稳定性，但往往会恶化塑性，正如BMGs中退火诱发的脆化所证明的那样。
在这里，研究者报告了一个新的设计概念，以改善BMGs的变形能力。研究者通过掺杂非金属元素(NMEs)来增加BMG的结构波动，这些元素具有较小的原子尺寸和与组成BMG的元素的混合负热 。研究者选择的候选元素是氧、氮、碳和硼，分别添加到Ti-、Zr-和Cu基BMGs中，同时，确定了特别合适的掺杂体系(范围从0.1%到0.3%)，因此，研究者观察到强度和延展性的显著提高。这可以归因于在非金属溶质周围形成的局部致密堆积区域(LDPRs)体积分数的增加，同时避免了脆性二次相的形成。这些LDPRs的邻近区域变得相对松散，从而增强了材料的结构波动，促进了局部剪切，极大地提高了材料的宏观塑性和韧性，并增强了强度。在热力学的指导下，根据与这些掺杂剂相关的适当的负混合热，该方法原则上是通用的，可以用于广泛改善MGs性能。
图1 基底与掺杂ZrTiHfCuNi BMGs材料的力学行为。
图2 基合金纳米压痕探针τmax的相对频率分布。
图3 研究了基合金和O0.2、B0.2、O0.3掺杂合金的低温比热容实验数据。
图4 低温下BMGs中γ弛豫的研究。
图5 基合金和O掺杂合金的局部原子堆积和剪切响应的MD模拟。
图6 增强BMGs结构异质性的两种方法示意图。
综上所述，目前的研究结果表明了如何通过不同的设计概念成功地克服BMGs的室温脆性。这是通过形成塑料顺应区，形成周围的密集填充团簇包含间隙掺杂剂。在这种方法中，小的间隙原子被称为“簇形成者”，因为它们体积小，热力学上的考虑，以及它们部分的共价键贡献。由此产生的结构不均一性的增加被证明是大幅度提高BMGs塑性的有效方法，在没有损失的情况下，而是在强度上增加。因此，适当掺杂氧、硼、碳、氮等NMEs，可以同时提高塑性、强度、热稳定性，甚至增强GFA。 这种组合在玻璃成型、可塑性、强度和成本之间取得了良好的平衡，为符合塑料和耐损伤的BMGs开辟了全新的合成、加工和应用范围。 （文：水生）
导读
利用电子背散射衍射研究了一种新开发的镁-稀土合金在瞬时热反挤压过程中的微观结构演变，获得了具有弱织构的等轴细晶粒微结构。晶粒细化主要归因于热反挤压过程中的不连续动态再结晶（DDRX）和连续动态再结晶（CDRX）过程。在初始变形阶段形成的孪晶界有效地增加了高角晶界（HAGBs）的数量，为新的晶界核提供了位置，从而改善了DDRX工艺。由于在773 K的相对高温和高应变率下的有效动态回复(DRV)，在晶粒内部也观察到了以低角晶界(LAGB)为特征的CDRX过程。此后，在CDRX过程中，LAGB网络通过亚晶粒渐进旋转转变为HAGB网络。
镁及其合金具有低密度、高比强度和高比刚度等特性。然而，镁合金，尤其是稀土镁合金，具有的主要缺点是较差的低温塑性。其具有的唯一无热且易激活的基底滑移不符合5个独立滑动系统标准。另外，拉伸孪晶在低温下具有低临界分解剪切应力，只能积累到 10%的有限应变。
除了滑移和孪晶，动态再结晶(DRX)在镁合金热变形过程中对细化粗大晶粒和避免微裂纹的形成有重要作用。已有研究多集中于低堆垛层错能镁合金(SFE)中DDRX的常规机制上，该机制分为晶粒成核和生长两个独立的阶段。然而，由于不同的成核时间和早期成核的DRX晶粒的部分动态晶粒生长，均匀微结构的DRX晶粒尺寸分布并不容易实现。高应变率下，CDRX也能在低SFE镁合金观察到，且出现一种使DRX晶粒的取向几乎与CDRX镁合金的母晶粒的取向相当的织构。与纯镁相比，其基础织构较弱。因此，具有小晶粒尺寸和弱织构的均匀DRX晶粒微结构是可行的，并且需要使用热变形进行进一步研究。
采用热间接挤压、等通道转角挤压和多向锻造等剧烈塑性变形方法来获得超细晶粒组织。热间接挤压形成了均匀的流动模式，因为没有摩擦诱发的热量产生，合金可以通过DRX [21，22，23]经济地生产成细晶粒微观结构。然而，这一过程中的DRX机制还有待系统研究。
常用的镁合金，如镁铝系列合金，高温力学性能较差，严重限制了其应用。稀土元素是目前提高镁合金高温力学性能最有效的合金元素，可以细化微观结构，形成高熔点相，并与镁合金形成固溶体，从而改善这些合金的高温力学性能。Sm是镁基体中Ce基团固溶度最高的元素，接近镁的原子尺寸，可与镁形成多达五种二元化合物。Sm在镁中的固溶度也随着温度的降低而降低，因此在镁合金中具有良好的强化效果。然而，对含Sm和高Gd稀土镁合金热变形行为的系统研究很少。
基于此背景，日本东北大学联合国内河南 科技 大学的团队选择Mg–9.80 GD–3.78y-1.12 Sm–0.48 Zr合金，利用电子背散射衍射(EBSD)系统地研究了热反挤压过程中各种应变对合金晶粒细化的影响，并讨论了热反挤压过程中的DRX机制。相关成果以题为“Grain refinement and weak-textured structures based on the dynamic recrystallization of Mg–9.80Gd–3.78Y–1.12Sm–0.48Zr alloy”发表于镁合金期刊《Journal of Magnesium and Alloys》。
在瞬时热反挤压过程中，合金的粗晶组织明显细化，获得了具有弱织构的均匀微结构。
DRX的范围随着应变的增加而增加，并在最高应变处达到最大值。由EBSD数据获得的KAM和GAM图被用于区分DRX和SRX颗粒与变形颗粒。在第Ⅵ阶段观察到典型的不含SRX粒子的DRX。
镁合金中的两种主要孪晶类型在初始变形阶段被激活，即86 { 10–12 }拉伸孪晶和56 {10–11}压缩孪晶。两种晶界为DDRX晶粒原子核提供了更多的位点。除此之外，随着晶粒中LAGBs逐渐转化为HAGBs，CDRX过程中还涉及亚边界取向差的循序渐进。通过结合DDRX和CDRX工艺，获得了弱织构的细晶粒微结构。
综上，文中揭示了新型Mg–9.80Gd–3.78Y–1.12Sm–0.48Zr合金的晶粒细化是通过瞬时热反挤压实现的。讨论了活化孪晶的影响和热变形后细化DRX微结构的判据，同时阐述了热反挤压过程中晶粒DRX过程的机理。
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傅恒志院士是我国著名的冶金材料学家，也是我国著名的教育家，曾执掌著名的西北工业大学8年之久。傅恒志的一生，可谓是格物致知、求索创新的一生。他于1988年创建了国内唯一的凝固技术国家重点实验室。主持国家自然科学基金重大项目、国家重要基础研究项目(973)和国防预研项目的课题，出版有《高温合金及其熔炼技术》等专著4部、指导博士30余名、硕士40余名、博士后10名。1958年，傅恒志作为当时全国铸造学科唯一的留苏研究生，远赴苏联列宁格勒工学院学习。苏联铸造界最有声望的聂亨齐教授是傅恒志的导师，曾对他提出的熔炼特殊材料的高温合金新技术设想大加赞赏: “敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好! ”当时傅恒志研制出了新型高温合金系列，其中镍铬基新型高温合金就被运用在苏联航空发动机的叶片上，填补了国际高温合金领域的空白，获得苏联科学技术发明专利。1962年，傅恒志研究生毕业的同时，因其成就卓著又获得了副博士学位。从苏联学成归国后，傅恒志多年来一直致力于材料学方面的研究。他在科教事业中还拥有许多首创和第一: 西北工业大学铸造专业的创始人之一，培养出我国第一位铸造工程博士，国内首创以控制液固界面位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术，在国内率先建立了凝固技术国家重点实验室，在国际上首次提出液固界面非平衡溶质再分配和定向组织超细化的概念，这些新颖的观点，引起了国内外学者的高度关注，被认为是凝固理论界的突破……傅恒志院士献身科教事业，硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步奖及发明奖4项，获部、省级特等奖及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《SCI》《EI》《美国化学文摘》《国际宇航文摘》《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，同年5月，又高票当选中国工程院院士。在航空航天材料及其加工技术方面具有很高的造诣，曾主持了多项型号研制任务，他提出的特种合金及其金属间化合物航空航天发动机叶片液态无模电磁成形和超高梯度超细化定向凝固技术属世界首，为我国航空发动机领域向推比10以上发动机方向的发展提供了科学的材料和工艺基础。傅恒志院士博学多识，治学严谨，具有敏锐的科学思维，始终站在材料科学发展的前沿，精辟的提炼出材料及其加工过程的科学问题，特别对航空航天用高温结构材料的发展做出了巨大贡献。他宽以待人、严于律己、诲人不倦，以其科学家的胆识和魄力，对促进材料和加工学科的发展起到了推动作用，曾于1988年创建了国内唯一的凝固技术国家重点实验室。傅恒志院士长期从事铸钢、铸造高温合金、定向和单晶凝固理论和技术方面的教学和研究工作。在国际上率先提出液固界面非平衡溶质再分配的概念及相关函数关系；在亚快速定向凝固及组织超细化、高温合金和稀土永磁合金的凝固组织与性能方面进行了开创性研究，获得性能提高数倍的超细胞/枝晶定向组织.“ZMLMC超高温度梯度定向凝固方法与装置”获1994年国家科技进步奖二等奖。与此同时还获得包括《定向凝固超细柱晶组织及其形成机制》在内的多项国家发明奖和省部级科技进步奖。目前已发表学术论文400余篇，出版《高温合金及其熔炼技术》等专著4部、指导博士30余名、硕士40余名、博士后10名。铸钢、铸造高温合金、定向和单晶凝固理论和技术方面的教学和研究工作，主持国家自然科学基金重大项目、国家重要基础研究项目(973)和国防预研项目的课题，并以大推力、超高温发动机为研究背景，自主开发耐热温度在1000℃以上的钛铝基金属间化合物无(软)接触电磁成形单晶定向凝固发动机叶片的制备技术。该技术的开发成功将使我国的航空航天发动机材料水平迈上一个新台阶，出现一个崭新的局面。1961年研制出新型高温合金，用于生产。在合金非平衡定向凝固及组织控制的研究中，提出了非平衡溶质分配的新概念。撰有《高温合金非平衡状态的凝固特性》等论文。在非平衡凝固理论、亚快速定向组织及组织超细化、高温合金、稀土永磁合金的凝固组织与性能、电磁约束成形定向凝固技术等方面进行了开创性研究。领导研制的超高梯度定向凝固装置的温度梯度可达1300°C/cm,超出当时国际最好水平达三倍之多；主持创建了枝胞转换及亚快速定向凝固的理论框架，开辟了单晶及定向组织超细化研究的新领域。在此基础上，又提出了电磁成形定向凝固新技术。1938年抗战初期，全家逃难，辗转到西安。1947年，傅恒志以优异的成绩考入西北工学院机械系。在迎接解放的日子里，这位热血青年，参加了青年团，担任团支部书记，1950年加入了共产党，同年毕业。1952年至1955年，他考入哈尔滨工业大学攻读硕士学位研究生。1958年，傅恒志作为当时全国铸造学科唯一考取的留苏研究生，赴苏联列宁格勒工学院，师从苏联铸造界最有声望的权威聂亨齐教授，进行耐热合金的研究工作。那时，用于航空航天尖端技术领域的镍基高温合金，性能优良?但在世界上，此种合金都以高含量的铝、钛作为主要强化元素，必须在真空下熔铸，否则极易氧化。而在上世纪60年代初，国内这样的真空冶炼设备极少。针对这一实际情况，傅恒志想：能不能搞出一种既不含铝、钛，又不需真空熔炼，而其性能又与含铝、钛的镍基高温合金相当的高温合金呢？如果有了这种高温合金，不就解决了国内对这一高温材料的急迫需求吗？这可是一个破天荒的大胆设想！ 傅恒志小心翼翼地把这一设想告诉了自己的导师聂亨齐教授，得到了导师的大加赞赏：“敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好！”在导师的支持下，傅恒志进行了艰难的探索。他先后设计了60余种合金方案，每一种方案的性能测试都要在800℃的高温下持续做6000小时的实验。为了实验，他常常废寝忘食，通宵不眠。经过两年多时间的不懈努力和反复筛选，在对镍铬钼钨铌合金系列进行系统研究的基础上，终于研制出了″无铝、钛的镍铬基″这一新型高温合金系列。傅恒志把这些研究成果写在论文《镍铬基铸造高温合金组织和性能的研究》里，在论文尚未答辩、合金尚未最后定型的情况下，他研制的镍铬基新型高温合金就被用在苏联航空发动机的导向叶片上。为什么苏联航空专家特别喜欢这种新型合金呢？因为该类合金虽然不含铝、钛，不需真空熔炼但却达到了当时世界上含铝、钛的镍基高温合金的优良性能，即不但具有较好的力学性能，而且具有优异的铸造性能。这在当时被认为是填补了国际高温合金研究领域的一项空白，当之无愧地居于国际领先水平，受到了国内外专家的高度赞誉。也正因为如此，他的这项研究成果获得了苏联科学技术发明专利。1962年，他从列宁格勒工学院物理冶金系研究生毕业时，获得苏联科学技术副博士学位。标新立异 勇攀高温合金研究高峰：傅恒志1962年从苏联学成归国后，继续致力于高温合金的成份、组织、铸造性能与力学性能关系的研究。高温合金是广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业中的耐高温材料，在航空发动机上主要用于制作热端部件。他针对新型发动机发展的需要，开展了对涡轮叶片定向凝固和单晶技术的研究，在国内首创了以控制液固界面位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术，显著改善了定向和单晶叶片的组织及性能，为我国叶片的定向凝固和单晶技术的发展提供了关键技术。此后，针对现行定向凝固温度梯度低、冷速小、组织粗大的缺点，他又提出了超高梯度定向凝固和组织超细化的新构思，成功地获得定向超细柱晶组织。在镍基和钴基合金中，所得到的结晶组织较HRS定向凝固这一通用方法细化4～10倍，高温持久性能超出同类合金1～2倍。他领导研制的超高梯度定向凝固装置，其温度梯度超过当今世界最高水平3倍多。由于在高梯度晶体生长和超高梯度定向凝固装置的研究上达到了国际领先水平，这两项技术分获航空航天部一、二等奖和国家科技进步及国家发明二、三等奖。仪器仪表工业的发展对磁性材料提出了新的要求，用传统粉末冶金方法制出的稀土永磁材料性能极脆，很容易破损，无法制作出很薄或形状复杂的永磁体。为了解决这一问题，傅恒志教授以凝固理论、磁学理论和复合材料理论为指导，提出了引入塑性相的新构思和运用控制凝固过程的新手段，经过几年的努力，建立了第二代（钐－钴）和第三代（钕铁硼）永磁体的铸造组织、成分、凝固特性、晶体取向和磁性能的关系，发明了可加工的稀土钴永磁材料。这种材料可以车削，可以变形，也可以切削成仅0．2毫米厚的超薄磁片，从而突破了钐钴合金完全脆性、不可能加工的禁界；而且所获磁能积居当时国际同类材料的领先水平。已成功地应用于国产卫星的隔离器上，并获得了航空航天部科技进步一等奖及国家发明三等奖。九十年代，针对航天工业的需要，傅恒志教授又领导开展了对超细石英纤维加工机制和析晶性的研究，所研制的高纯超细石英纤维，被国家高技术新材料鉴定组确认为：“其性能已相当于美国同类产品水平，填补了国内空白。”如今，高纯超细石英纤维已用于航天防热陶瓷瓦，其理论成果获1994年国家教委科技进步奖。1995年，傅恒志教授承担了“单晶与定向叶片组织超细化与自约束成形综合技术”的课题研究。这一课题研究试图解决材料冶金技术上的两个重大难题：一是如何提高单晶及定向凝固技术装置的温度梯度；二是如何消除液态合金在成形过程中的污染。傅恒志教授致力于对高温合金定向凝固技术的研究，探索了提高定向凝固过程的温度梯度的途径，推出了超高梯度ZMLMC定向凝固方法，在实验室实现了高达1000K/cm以上的温度梯度，比德国Leybold公司生产的定向凝固设备的温度梯度整整高出10倍左右，达到了当今世界领先水平。这项成果因而获得了航空航天部科技进步一等奖及国家科技进步二等奖（国防类）。硕果累累 奋斗不息：傅恒志院士献身科教事业硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步及发明奖4项，获部、省级特等及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《美国化学文摘》、《国际宇航文摘》、《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他多次应邀参加国际学术会议及到国外讲学：先后在美国里海大学、美国国家标准局、德国柏林工业大学、德国亚琛工业大学等院校和研究所做学术报告；他还多次赴前苏联及俄罗斯、乌克兰的一些著名大学和研究机构访问讲学。在圣彼得堡国立技术大学及莫斯科航空材料研究院，他的“关于晶体定向生长及单晶高温合金问题”的讲学受到高度评价。圣彼得堡技术大学教授、苏联功勋科学家、科学院院士哈洛沙伊洛夫认为，傅恒志教授关于“定向凝固溶质再分配”的讲学，是“合金相变理论中的一个突破”。他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，5月间又荣幸地成为中国工程院院士。现任西北工业大学学术委员会主任，陕西省航空学会理事长，中国航空学会副理事长。桑梓情深 愿为家乡多奉献：76岁的傅恒志院士乡音未改，见到家乡的亲人，心情激动，特别热情。他说，我是河南人，热爱河南，人老了，更加关注家乡，迫切希望为家乡做些贡献。1986年，我在苏联留学的同学何竹康担任河南省省长，我的学生赵地担任河南省委副书记，我担任西北工业大学校长。受他们的盛情邀请，我和西北工业大学的几位领导从西安来到郑州，洽谈如何为河南省的经济发展尽力。在赵地同志的陪同下，我们参观了洛阳等几个发展比较快的城市，来到洛阳工学院，受到学院领导的热情接待，留下了美好的印象。后来，赵地同志回西北工业大学参加校庆，再次谈起为河南办点实事的问题。最后选中了洛阳工学院。1998年牡丹花会期间，我再次来到洛阳工学院深入考察，双方开始合作。河南科技大学成立以来，聘请我为共享院士，兼职教授，专设了办公室。我感到责任在肩，时刻牢记在心，虽然这几年，我每年都要到河南科技大学两次，做场学术报告，指导一些工作，但，总希望工作做得更多一些，更好一些。希望河南科技大学的发展更快一些，为河南省经济社会的发展做出更大的贡献。傅恒志院士受聘于河南理工大学：2005年3月，傅恒志院士受聘于河南理工大学之后，他决定每年从该校给他的薪酬中拿出20万元，加上校方配套的10万元，共30万元作为资金来源，设立“金属材料及加工工程学科发展基金”，用于奖励河南理工大学师生。该发展基金于2005年10月建立，至今该校已有40余名师生受益。该基金主要用于支持该校材料学科建设，活跃学术氛围，促进学术交流，奖励品学兼优的材料科学及相关学科的在校硕士、博士研究生，激励他们在学业和研究工作中取得创造性成绩。2005年受聘担任河南理工大学教授以来，创建了材料物理冶金研究所，引领学校材料学科的建设与发展，帮助凝炼并形成了凝固技术与亚稳材料、材料先进连接技术与相变理论及材料加工过程数值模拟等学术研究方向并取得重要进展。
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瑞士工程技术-材料科学期刊Journal of Alloys and Compounds （ISSN：0925-8388），创刊于1991年，由著名出版社Elsevier出版，主编是德累斯顿工业大学材料科学研究所的Ludwig Schultz教授。 1）刊载范围：该期刊主要发表有关化合物和合金材料的研究，包括对合成和结构的研究，以及对合金和化合物的化学和物理性质的研究。该期刊的优势在于它涵盖学科的多样性，包括材料科学、物理冶金、固态化学和物理学等。 2）影响因子：Journal of Alloys and Compounds 杂志的影响因子近年来一直在稳定增长，2015-2019年的SCI影响因子分别为3.014、3.133、3.779、4.175、4.650，增长趋势稳定，今年影响因子预计将会有进一步的增长。 3）审稿周期：我们来看几篇去年发表的论文，平均1-2个月左右接受，当然有的快一些，有的相对慢一些。整体来说，发文速度非常快。 4）版面费：该期刊为作者提供了发表研究的两种选择：可以选择传统订阅模式，也可以选择OA模式。传统订阅模式免版面费，OA模式的版面费为3050美元，约合人民币19700元。 回答参考资料
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