循环超1000000次！任晓兵/纪元超，最新Nature Materials！

2022年7月5日Nature Materials在线发表了西安交通大学任晓兵教授和纪元超副教授在应变玻璃态合金领域的最新成果“A lightweight strain glass alloy showing nearly temperature-independent low modulus and high strength”。其中，西安交通大学任晓兵教授和纪元超副教授为共同通讯作者，西安交通大学前沿科学技术研究院和金属材料强度国家重点实验室为第一通讯单位，刘畅为第一作者。

镁合金在所有金属结构材料中具有最低的密度，与许多有机天然或人造结构材料如骨骼、硬木和玻璃纤维增强塑料相当。因此，它们有可能成为解决太空技术中对各种轻质弹性部件需求的解决方案，例如轮胎、弹簧和密封件。

这些应用需要在中等应力水平下具有较高的重量比弹性能量密度，并且这种特性需要对温度不敏感。由于重量比弹性能量密度U定义为U=σ²/2ρE，其中σ表示应力，E弹性模量是一种很有前途的候选材料，需要同时具备低密度、高屈服强度和低模量，以及在宽温度范围内的模量不变性（称为Elinvar效应）。

然而，现有的Mg合金面临着在高强度和低弹性模量之间互斥的挑战（图1b），这妨碍了同时实现高强度和低模量；由于随着温度的降低，金属结合力更强，因此在宽温度范围内所需的弹性模量不变性受到弹性硬化效应的挑战，这是包括镁合金在内的普通金属和合金的共同特征。

据报道，具有20.5 at.% Sc（Mg-20.5Sc）的Mg合金由于马氏体转变而表现出形状记忆效应和超弹性。虽然大的超弹性原则上可以提供高弹性能量密度的可能性，但Mg-20.5Sc形状记忆合金（SMA）具有与其他SMA相同的缺点，超弹性和储存的弹性能量强烈依赖于温度，在马氏体转变温度以下超弹性消失。使用 SMA的低弹性模量特性进行弹性能量存储的可能性，弹性模量与温度密切相关。因此，所有性能对温度的强烈依赖性使得形状记忆镁合金不适用于温度不稳定环境中的弹性应用。

太空技术的快速发展对弹性材料提出了巨大的挑战，弹性材料不仅需要重量轻、强度高、柔性强，还要能够在很宽的温度范围内保持稳定的弹性。在此，西安交通大学任晓兵教授和纪元超副教授等人报告了一种轻质镁-钪应变玻璃态合金（Mg中含21.3 at.% Sc），即在稍高的Sc掺杂（0.8 at.%）下，Mg-21.3Sc 合金显示出与Mg-20.5Sc SMA截然不同的弹性行为。

这种合金具有低密度（~2 g cm^-3）、几乎与温度无关（Elinvar型）、低杨氏模量（~20-23 GPa）和高屈服强度（~200-270 MPa）等理想特性，并且这些特性在从室温（298 K）到低温温度（123 K）的宽温度范围内持续存在。因此，相对于已知的工程弹性材料，它在200 MPa的中等应力下具有较高的弹性能量密度（U=~0.5 kJ kg^-1）。由于克服了低模量和高强度之间的互斥关系，这种轻质弹性材料具有超过一百万次循环的长疲劳寿命，优于各种Mg合金、GFRP和高强度铝合金。

研究表明，它的特殊性能源于应变玻璃化转变，而Elinvar型弹性源于其适度的弹性软化效应，抵消了一直存在的弹性硬化。本文的研究结果为设计具有非常规和技术上重要的弹性特性的材料提供了见解，这种性能使其成为太空和航空航天应用中轻质弹性部件有前途的材料。

图1. Mg-21.3Sc应变玻璃在室温下的弹性和机械性能

图2. Mg-21.3Sc应变玻璃合金在宽温度范围内的Elinvar型弹性

图3. Mg-21.3Sc合金中应变玻璃化转变的宏观特征

图4. Mg-21.3Sc应变玻璃合金中局部对称性破缺的证据

图5. 原位暗场TEM观察Mg-21.3Sc应变玻璃合金中纳米域的平滑演变

Liu, C., Ji, Y., Tang, J. et al. A lightweight strain glass alloy showing nearly temperature-independent low modulus and high strength. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01298-y