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《PNAS》楊勇、管鵬飛等工作：加工硬化多組元金屬玻璃的本征拉伸塑性

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2024-05-08  瀏覽次數(shù)：2660
金屬玻璃因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于微納制造，生物醫(yī)學(xué)及國(guó)防軍事等領(lǐng)域。然而，金屬玻璃的一個(gè)致命弱點(diǎn)是在室溫下缺乏塑性，特別是拉伸條件下，這一問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了它在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)合金可以通過(guò)位錯(cuò)等缺陷實(shí)現(xiàn)加工硬化和塑性變形。而金屬玻璃由于缺少這些缺陷，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的行為，從而加速剪切失穩(wěn)和斷裂。目前已經(jīng)發(fā)展出很多方法來(lái)改善金屬玻璃的室溫脆性，比如表面處理和回春等。雖然，這些方法一定程度上改善了拉伸塑性，但塑性提升的程度有限（<1%），同時(shí)伴隨著強(qiáng)度的下降。最重要的是，金屬玻璃脆性的源頭，即應(yīng)變軟化的行為沒(méi)有得到根本的解決。

為解決這一問(wèn)題，近期香港城市大學(xué)楊勇教授聯(lián)合北京計(jì)算科學(xué)研究中心管鵬飛教授在期刊Proceedings of the National Academy of Sciences上發(fā)表一篇名為“Intrinsic tensile ductility in strain hardening multiprincipal element metallic glass”的文章。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在傳統(tǒng)的TiZrHf合金中引入大量Co元素，制備出Ti25Zr25Hf25Co25多組元金屬玻璃。如圖1所示，這種金屬玻璃表現(xiàn)出高度的結(jié)構(gòu)和化學(xué)不均勻性，特別是Co元素，在納米尺度上具有明顯的團(tuán)簇。DSC和DMA分析顯示，該金屬玻璃內(nèi)部存在大量易于激活的類液原子，同時(shí)進(jìn)入玻璃轉(zhuǎn)變后，很快被晶化過(guò)程打斷，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)硬化行為（圖2）?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，研究人員對(duì)Ti25Zr25Hf25Co25進(jìn)行了多尺度的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)（圖3）。結(jié)果表明，Ti25Zr25Hf25Co25在宏觀和微觀上均表現(xiàn)出顯著的拉伸塑性和加工硬化行為。室溫下的宏觀拉伸塑性可以達(dá)到2%，加工硬化更是接近屈服強(qiáng)度的一倍。拉伸塑性和斷裂強(qiáng)度均超過(guò)了目前已報(bào)道的金屬玻璃，實(shí)現(xiàn)了高塑性和高強(qiáng)度的結(jié)合。拉伸后的樣品表面出現(xiàn)的大量自鎖的剪切帶，這說(shuō)明拉伸過(guò)程中出現(xiàn)了剪切滑移，隨后被中斷，從而阻礙了剪切失穩(wěn)和斷裂。如圖4所示，剪切帶內(nèi)部Co元素發(fā)生劇烈的偏析，同時(shí)出現(xiàn)大量納米晶。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，在剪切過(guò)程中，一方面Co元素沿剪切方向迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致貧Co區(qū)納米晶的形核和生長(zhǎng)（圖5）。另一方面，結(jié)晶過(guò)程又會(huì)促進(jìn)剪切帶內(nèi)Co元素的排出，進(jìn)一步加速結(jié)晶過(guò)程，從而阻礙剪切帶的發(fā)展，導(dǎo)致加工硬化行為和本征的拉伸塑性，從根本上解決了應(yīng)變軟化的問(wèn)題。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，由于多組元金屬玻璃晶化產(chǎn)物的復(fù)雜性，剪切膨脹可以通過(guò)晶化過(guò)程實(shí)現(xiàn)，恰好避免了剪切膨脹與晶化導(dǎo)致的收縮之間的矛盾，防止了孔隙和裂縫的形成。研究者表示，結(jié)合現(xiàn)有的表面處理，幾何設(shè)計(jì)，冷軋等方法，可以更進(jìn)一步的增強(qiáng)Ti25Zr25Hf25Co25的拉伸性能。因此，目前的工作為設(shè)計(jì)更多高強(qiáng)高韌金屬玻璃提供了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。


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