铜掺杂对Fe27Co20Ni20Cr8Mo5P10C4B6高熵非晶合金力学性能的调控机制与塑性提升研究

为解决高熵块体非晶合金（HE-BMGs）玻璃形成能力（GFA）差和室温塑性不足的问题，研究人员通过熔融净化与J-淬火技术制备了(Fe0.27Co0.2Ni0.2Cr0.08Mo0.05P0.1C0.04B0.06)100-xCux（x=0-1 at.%）合金体系。研究发现，适量Cu（0.6 at.%）通过诱导纳米团簇和中等程有序结构，将塑性应变从0.2%提升至6.5%，同时自由体积含量达到峰值。该研究为过渡金属基HE-BMGs的性能优化提供了新思路。

　　

在材料科学领域，高熵块体非晶合金（High-Entropy Bulk Metallic Glasses, HE-BMGs）因其独特的无序结构和优异性能备受关注。然而，这类材料在实际应用中面临两大瓶颈：玻璃形成能力（Glass Forming Ability, GFA）有限，难以制备大尺寸样品；室温塑性变形能力差，容易发生脆性断裂。这些问题严重制约了HE-BMGs在苛刻环境（如高温高压、腐蚀性介质）中的应用前景。传统Fe基非晶合金虽然成本较低，但耐蚀性和热稳定性不足。过渡金属基HE-BMGs虽具有更好的综合性能，但如何通过成分设计改善其塑性仍是未解难题。

针对这一挑战，新疆大学的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表了一项创新研究。他们选择Fe-Co-Ni-Cr-Mo-P-C-B作为基础体系，通过精确调控Cu含量（0-1 at.%），系统探究了铜掺杂对HE-BMGs结构特征与力学行为的影响机制。研究采用熔融净化（fluxing treatment）结合J-淬火（J-quenching）技术制备直径1.5-3 mm的棒状样品，通过X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）和压缩测试等手段进行表征。

材料与方法
研究团队使用高纯度金属粉末（Fe、Ni、Cr等纯度≥99%）按化学计量比熔炼，通过B₂O₃熔剂净化去除杂质，采用J-淬火技术实现快速凝固。通过DSC测定玻璃转变温度（T_g）和晶化温度（T_x），计算过冷液相区（ΔT_x = T_x - T_g）评估GFA。压缩实验在应变率1×10^-4 s^-1下进行，结合锯齿状应力降统计分析和粘滑动力学模型计算平均剪切带速度（ASBV）。

研究结果

1. 非晶结构确认：XRD显示所有样品均为单一宽化衍射峰，表面光滑无结晶特征。Cu含量超过0.6 at.%时GFA轻微下降，Cu₀样品临界直径最大（3 mm）。

2. GFA与热稳定性：DSC曲线显示明显玻璃转变，ΔT_x随Cu增加从75℃（x=0）降至65℃（x=1），表明过量Cu会降低热稳定性。

3. 力学性能突破：压缩测试揭示塑性应变与Cu含量呈非线性关系——x=0.6时达到峰值6.5%（较未掺杂提升32倍），过量Cu则导致塑性消失。应力降分析表明，塑性提升伴随剪切带行为从混沌态（Cs）向自组织临界态（SOCs）转变，ASBV从8.7 μm/s（x=0）降至5.2 μm/s（x=0.6）。

4. 微观机制阐释：Fe-Cu正混合焓诱导形成1-2 nm铜纳米团簇和中等程有序结构（x=0.6时晶态域面积占比16%），重新分配自由体积促进剪切带增殖。自由体积分析显示x=0.6时含量最高，与塑性极值点吻合。

结论与意义
该研究首次阐明Cu掺杂通过"纳米团簇-自由体积-剪切带"三级调控机制改善HE-BMGs塑性的规律：适量Cu（0.6 at.%）形成应力集中源促进剪切带形核，同时降低剪切带扩展速度，实现塑性变形均匀化；过量Cu则因过度偏聚破坏非晶均质性。这一发现不仅为设计高塑性HE-BMGs提供了成分优化窗口（Cu≤0.6 at.%），更通过建立"成分-结构-性能"关联模型，推动了非晶合金变形理论的完善。研究成果对开发石油化工、海洋工程等苛刻环境用高性能耐蚀材料具有重要指导价值。