乔珺威：叩开非晶合金研究的大门

本刊记者　刘玉杰

乔珺威：叩开非晶合金研究的大门

本刊记者刘玉杰

专家简介：

乔珺威，太原理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，中国材料研究学会理事，山西省学术技术带头人，山西省青年拔尖人才，山西省优秀青年学术带头人。2005年毕业于石家庄铁道大学（原军校），2011年获得北京科技大学材料科学与工程专业博士学位。2009～2010年，作为联合培养博士在美国田纳西大学学习。

曾参与国家“863”计划等多个项目，主持国家自然科学基金、人社部择优资助、山西省自然科学基金等项目。曾获2010年教育部高校自然科学奖二等奖、2014年山西省自然科学奖二等奖，应邀在山西省重点实验室联盟青年科学论坛（交叉学科）作专题报告，2014年获得《Who's Who in the World》知名科学家提名。

在许多科技论坛中流行着这样一句话：对于硕士生来说至少应该精读50篇文献，泛读100篇文献；而博士生至少应该精读500篇文献，泛读1000篇文献。要问拥有博士学历的乔珺威读过多少篇文章，他只能说多到自己也记不清了。无数的文献积累，激发乔珺威在非晶合金力学性能领域，不断寻觅创新与灵感，因此获得的成果也屡受国内外同行的高度关注。

专注非晶塑性

从20世纪80年代起，非晶合金成为国内外材料科学界的研究开发重点。所谓的“非晶合金”，就是由超急冷凝固得到的固态合金，长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。但目前，绝大多数单相块体非晶在室温下表现为脆性断裂，即具有极低的压缩塑性，拉伸塑性基本为零。承载时，大块非晶通常在屈服后发生灾难性断裂，限制了其工程应用。究其原因，是非晶屈服后，剪切带快速扩展而引发剪切层内的绝热剪切，极短时间内温度急剧上升，致使剪切软化而迅速断裂。要想解决这一问题，可以通过在非晶基体内引入塑性第二相提高非晶合金的室温塑性，因为塑性第二相可以阻碍和延迟剪切带的扩展。

乔珺威则成功通过Bridgman型定向凝固技术获得了第二相增韧的非晶复合材料，对比目前其他制备非晶复合材料的手段，该技术可以控制第二相的尺寸大小和体积分数，通过合理调节抽拉速度以获得具有室温拉伸塑性的枝晶增韧的锆基非晶复合材料，断后延伸率超过了7%。该成果发表在Applied Physics Letters 94, 151905 (2009)上，研究成果得到了美国加州理工学院W.L. Johnson院士课题组和美国田纳西大学T.G. Nieh教授的高度关注，并被多次引用和报道。

他所使用的定向凝固技术相比其他常见的快速凝固技术优势突出，不仅可以调控组织，还可以优化力学性能，被国际同行J. Eckert、J.R. Greer、D.C. Hofmann等研究人员发表在Nano Letters等国际知名期刊上的论文引用，认为该技术是调控和制备均质非晶复合材料最有效的方法之一。

在此基础上，乔珺威进一步获得了具有室温塑性的轻质钛基非晶复合材料。另外，他和美国芝加哥阿贡实验室合作，通过高能X射线研究枝晶增韧的非晶复合材料，将两相结构进行解析分别得到了两相的衍射图谱，利用半峰宽来表征屈服后不同的变形程度。成果发表在Applied Physics Letters 97, 171910 (2010)上，后被焦点新闻网作为新闻给予报道。随后，Huang等人基于该方法提出了非晶复合材料原位变形机理。

非晶材料变形机制一探到底

随着对非晶复合材料原位变形机理研究的步步深入，乔珺威意识到，过去对于非晶复合材料的变形机制主要基于对剪切带数量的简单观测，剪切带越多，塑性越好，但变形的微观机制还不清楚。敏锐地觉察到问题的他立刻投入探究。通过大量研究，他发现，枝晶增韧的非晶复合材料的压缩变形机制，是枝晶内部和两相边界处的局域非晶化、严重的晶格畸变和大量的位错塞积，以使得复合材料展现宏观的塑性变形和加工硬化的原因。

该成果发表在Scripta Materialia 61, 1087 (2009)上。这是该领域第一篇对室温下具有较大塑性变形的非晶复合材料通过透射电镜进行机理研究的论文。紧接着，乔珺威进一步研究发现，拉伸屈服后的复合材料的变形以枝晶的碎化为变形结构，枝晶内部被剪切带和位错墙分割成细小的亚晶。最后他总结出，枝晶具有大的塑性变形和非晶基体具有高的屈服强度是复合材料获得大的加工硬化的两个必要条件。殊不知，成果在Acta Materialia 59, 4126 (2011)发表后，一度成为该期刊下载次数最多的十大文章之一，目前已经被引用100次。

两年后，乔珺威的研究再迈上一个阶梯，与台湾国立中央大学E.W. Huang等人合作提出了树枝晶Core-Shell结构对屈服变形的响应机理，论文发表在Scientific Reports 4, 4394 (2014)上，在科学网上点击率超过6000次。

科研无止境，为进一步证实“树枝晶发生了碎化来承担塑性应变，非晶基体并没有发生晶化，只是起到了协调变形的作用”，乔珺威采用高能X射线技术直接穿透块体样品，获得变形前后结构的体信息，即三维结构信息。实验证明，室温下的拉伸变形不会导致明显的温度变化，也就不会引起晶粒尺寸发生变化。因此，晶粒的细化完全是由于变形导致亚晶的产生，而高能同步辐射技术的应用研究也进一步证实树枝晶发生了碎化。

到2015年，乔珺威对于非晶复合材料力学性能的优化与变形机理的研究接近有10年的时间了，他荣幸应Materials Science & Engineering Reports国际综述性期刊杂志邀请撰写了Metallic Glass Matrix Composites长篇综述。在论文中，乔珺威总括了非晶复合材料近20年来的发展及展望。这无疑是可以载入非晶材料史册的一文，意义不言而喻。

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多面剖析非晶材料

然而，结构材料在服役过程中并不总是在静载荷或恒温下，因此有必要对具有工程应用前景的内生非晶基复合材料进行在极端温度（例如液氮）及动载荷条件下的力学行为研究。经过计算，10 nm厚的剪切带形成只需要2ns，而非晶变形过程中的剪切转变区不连续形成的间隔时间约200ns，如果200ns内温升达到0.7倍的玻璃转变温度，黏性层就会形成。而在200ns的间隔时间内，最高温升也不超过100K。“因此在液氮温度下避免了黏性层的低粘度，在塑性变形过程中不会发生应力的突升或者突降，即锯齿消失”，乔珺威解释道。

该模型被英国剑桥大学材料系Greer教授在其综述性论文Shear bands in metallic glasses中引用。在此基础上，乔珺威又与美国UIUC物理系Dahmen教授提出采用平均场理论来表征非晶中雪崩式锯齿的可调性，发表在Scientific Reports 4, 4382 (2014)。

结束了温度变量下的研究，乔珺威将目光转向动载荷条件下非晶基复合材料的力学行为变化。在动态加载时，即使是准静态下具有较好塑性的复合材料仍然发生了脆性断裂，其主要原因是位错增殖的速率赶不上应变发生的速率。经过数年的持续探索，乔珺威通过合理调控第二相组织，得到组织粗大且枝晶体积分数高达58%的轻质钛基非晶复合材料，此种复合材料在动态冲击时表现为宏观的塑性变形。值得自豪的是，他们是国内外首个得到内生非晶复合材料具有冲击韧性的科研小组，同时“非晶复合材料动态冲击”入围了2014年度非晶材料十大进展基础研究候选名单。

此外，乔珺威还采用J-C方程拟合了非晶复合材料在动态冲击时的本构关系，为其预测流变强度提供了理论保障。“这一重要发现否定了内生枝晶非晶基复合材料在高应变速率下无塑性的普遍认识，使我们进一步看到该类型复合材料作为工程结构材料的应用前景。”他兴奋地说着。

曾有人这样评价乔珺威：勤奋努力是他的座右铭，认真的工作态度是他一贯秉持的信条，亲切待人是他不变的态度。如今的乔珺威能获得如此建树，绝对不是偶然，背后勾连出的是他的艰苦卓绝与孜孜不倦。他说过，勤奋努力是迈向成功的敲门砖。