锆基大块金属玻璃具有优异的强度和韧性，通过调制短程序或中程序的原子排布和微观结构非均匀性有助于增进其工程应用。深冷循环是一种在保留金属玻璃强度基础上改善其塑性的有效方法之一，其原理是深冷循环过程中内应力驱动金属玻璃跃迁至更高的能量状态，即年轻化。然而，深冷循环引起的年轻化行为与原子尺度上短程序结构形成的机制尚未得到深入研究。此外，年轻化金属玻璃的短程序结构与宏观力学性能之间的关联也被认为是一个值得深入探讨的问题。

来自中科院金属所的朱正旺研究院团队最新研究表明，当循环次数低于或接近临界值时，深冷循环处理后的试样塑性和强度同时得到提高。随着低温循环次数的增加，试样塑性降低，但强度未发生明显变化。相关论文以题为“Atomic-scale icosahedral short-range ordering in a rejuvenated Zr-based bulk metallic glass upon deep cryogenic treatment”发表在Materials Science and Engineering: A上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509322009510

图1. a)铸态和深冷循环后Zr基金属玻璃的DSC曲线; b)弛豫焓随循环次数的演化过程。

图2. a)铸态和深冷循环后Zr基金属玻璃室温压缩曲线; b)屈服强度和塑性应变随循环次数的演化; c) 铸态和深冷循环后Zr基金属玻璃压缩过程中的锯齿流变行为; d)不同结构状态下锯齿强度随应变的演化。

图3. a)铸态; b)DCT10; c)DCT20; d)DCT40试样的显微硬度云图。

图4. a)铸态; b)DCT20; c)DCT40试样的HRTEM图像，插图为SAED模式。d)-f)相应的ACF)图像，突出原子尺度的有序结构。

图5.原子尺度结构演化和深冷循环过程中内应力分布示意图。

总的来说，深冷循环处理引起的年轻化行为对Zr基金属玻璃微观短程序结构和宏观力学性能的影响是金属玻璃研究领域中亟需解决的重要问题之一。作者团队报道了深冷循环对原子尺度二十面体有序结构的调控，以及软区内原子团簇的激活和重排，发现深冷循环后金属玻璃宏观力学性能的变化起源于内应力对微观结构非均匀性的调控作用。

重要的是，作者团队对深冷循环过程中金属玻璃塑性先升高后降低这一转折过程给出了微观机制解释。由于具有较高移动能力的原子占据了初始二十面体的额外空间，内应力激活了更多的软区，原子移动能力相对较低的二十面体作为硬区，阻碍了软区移动。因此二十面体的内部应力被提高到更高水平，进而二十面体短程有序结构的增殖导致塑性降低。该工作在本质起源上给出了微观原子结构和宏观力学性能的独特见解，有助于从原子尺度的结构-性能角度出发促进了Zr基金属玻璃材料的设计和开发。（文：Keep real。）

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