《非晶合金的离子辐照效应》一文主要讨论离子辐照对非晶合金微观结构、宏观力学性能以及其他物理化学性能的影响，可为进一步理解非晶合金微观结构和宏观力学性能之间的关系提供有效的实验和理论基础，也可为非晶合金在强辐照环境下的服役性能预测提供实验依据。上述工作的通信作者为上海大学材料研究所，微结构重点实验室王刚教授。
一、引言
非晶合金是指结构类似于玻璃的无固定形态的金属或合金，通过快速凝固技术而得到的一种新型金属合金材料。
相对于传统金属材料，非晶合金由于不含晶体缺陷，表现出了较高的硬度、断裂韧度和屈服强度。因此，非晶合金有望成为应用于强辐照环境下的备选材料。
二、非晶合金的离子辐照效应
非晶合金的离子辐照效应是指离子与非晶合金的相互作用而引起非晶合金的微观结构、物理化学和力学性能的变化。
（1）离子辐照对非晶合金微观结构的影响
由于没有晶界、位错等晶体缺陷，非晶合金经离子辐照后，其微观结构最明显的变化就是非晶相发生晶化转变。
最近Luo等研究了300keVAr+ 辐照对热稳定较好的Zr61.5Cu21.5Fe5Al12非晶合金的影响，结果如下图所示。
Shao等利用1MeVCu+对Cu50Zr45Ti5非晶合金进行辐照，认为离子辐照可以引入更多的自由体积，加快了原子的运动能力，从而造成了Cu10Zr7和CuZr2纳米晶的析出。
Bian等研究了7MeV的Xe26+辐照对Zr基非晶合金结构的影响。衍射峰峰位随辐照剂量的增加而减小，表明非晶相的平均原子间距变得越来越大，即辐照造成了非晶合金的膨胀，结果如下图所示。
Myers等通过数值模拟方法研究了1MeV的Ni+对Ni52.5Nb10Zr15Ti15Pt7.5非晶合金的影响，发现距离样品表面420nm处，局域范围(20nm)温度达到950K，这个温度高于非晶合金的熔点。然而在12 ps内温度会降到玻璃转变温度以下，其冷却速率远远高于该非晶合金的临界冷却速率。
因此，他们认为非晶合金发生晶化的原因不是由入射离子能量损失引起温度上升造成的，而是因为原子离位使得非晶合金局域密度产生波动，增强了原子的运动能力。
为了限制离子辐照造成样品温度的升高，Rizza等选用5GeV Pb+对Fe基非晶合金进行辐照，辐照温度始终维持在90K以下。对辐照样品进行HRTEM观察，发现离子辐照形成直径10nm的轨道中心，其衍射衬度明显高于周围基体，如下图所示。
离子辐照还会造成非晶合金的表面形态发生改变。随着离子束流的增加，黏性流动使得Zr65Al7.5Cu27.5薄膜的表面粗糙度越来越小，而Fe40Ni38Mo8B14非晶薄膜的粗糙度随着离子束流的增大而增大。
由以上研究结果可知，离子辐照确实能够引起非晶合金的非晶相结构发生改变，可能会发生无序到有序的结构转变，即晶化，也可能会使得无序化的结构更加无序，从而增加自由体积等结构缺陷。
（2）离子辐照对非晶合金力学性能的影响
离子辐照引入外界能量，使得非晶合金的结构发生改变，而结构上的改变势必带来力学性能的变化。
通过微米柱压缩实验，Raghavan等明确指出高剂量的离子辐照产生更多的自由体积，使得非晶合金变形软化，辐照样品的屈服强度低于未辐照样品的30%，辐照样品的应力-应变曲线如下图所示。
他们认为辐照后的样品以均匀变形的方式耗散大部分应变能，从而表现出显著的塑性。
Bian等利用Xe26+辐照Zr基非晶合金，然后对辐照样品的力学性能进行表征，发现0.5dpa辐照样品与未辐照样品相比，其屈服强度和硬度明显降低，再增加辐照剂量，屈服强度和硬度反而增大。
如上图所示，原位拉伸实验表明四个辐照剂量下的样品均呈现出颈缩现象，均会在颈缩区域发生剪切断裂。
他们认为，低剂量的离子辐照引入了比未辐照样品更多的自由体积，并且辐照诱发非晶合金表面产生黏性流动，使得自由体积增加且分布更加均匀，因此硬度和屈服强度降低，而塑性变形能力显著提高。
由此可见，通过控制离子辐照的能量和辐照剂量等参数，可以选择性地调控非晶合金的结构，从而获得综合性能优异的非晶合金。这也说明了离子辐照调控非晶合金性能具有简单易行、可控性强的特性，为材料的设计提供了一种有效可行的手段。
（3）离子辐照对非晶合金其他性能的影响
离子辐照对非晶合金的影响除了强度和塑性之外，还对其他性能有着重要影响。
Yang等发现Co+注入Zr基非晶合金内，其摩擦系数降低了52%，因此离子辐照能够改善非晶合金的耐摩擦性能。
Sort等研究了Ar+辐照和辐照温度对Zr基和Ti基非晶合金物理化学性能的影响。他们发现，这两种非晶合金在620K(小于T g)和298K辐照后的润湿角没有明显改变，但经620K退火后，非晶合金的疏水性提高。同时也发现298 K下离子辐照对非晶合金的耐腐蚀性能几乎没有影响，而在620 K下离子辐照能够显著提高Ti基非晶合金的耐腐蚀性能。
三、结论
离子辐照对非晶合金微观结构和力学性能的影响取决于辐照离子的能量和非晶合金的成分；离子辐照在非晶合金中主要以核能量损失造成的结构缺陷和辐照损伤为主；离子辐照能够引入大量的自由体积等结构缺陷，增强原子的运动能力，从而使得非晶的结构更加无序或者发生晶化。
尽管关于非晶合金离子辐照效应的研究在实验和理论上取得了一定的进展，但关于非晶合金离子辐照效应的研究仍需进一步深入，非晶合金真正应用于核反应堆、航空航天等强辐照环境仍有待进一步的研究。
