Adv. Mater. 北科大塊體非晶復合材料新進展-原位形核微結構控制造就高性能非晶合金

長程無序賦予塊體金屬玻璃（BMGs）獨一無二的機械、化學和物理性能，促使金屬玻璃成為最有發展前途的工程材料。然而，金屬玻璃應變軟化和室溫脆性是其實用化的唯一致命缺點，如何解決這一問題顯得尤為重要。

對此，研究人員試圖在不同長度范圍，通過將玻璃基體與結晶相結合，引入多樣化的顯微結構來實現這一目標，其中原位樹枝晶強化BMG復合材料表現出了非常突出的壓縮塑性。然而，這種BMG復合材料在應力作用下，仍然表現出了過早頸縮與應變軟化的特點。雖然通過冷卻獲得原位奧氏體并在隨后經塑性變形轉變為馬氏體，這種高強高延伸性（TRIP）的設計理念可以獲得拉伸塑性和加工硬化，但是目前所有TRIP強化BMG復合材料只能獲得有限的尺寸（直徑約為3mm），而且顯微結構對加工條件非常敏感，這就嚴重限制了其工程應用。

近日，來自北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室的吳淵、呂昭平（共同通訊作者）等研究人員，提出了一種非常有效的方案，在TRIP強化BMG復合材料不損壞基體玻璃成型能力（GFA）的情況下，實現對大尺寸BMG復合材料轉變相形核與晶體長大的控制，并最終在玻璃復合材料中獲得了非常優異的拉伸與加工硬化性能。該成果為開發大尺寸、高性能的先進BMG基復合材料開辟了新的道路。

【圖文導讀】

圖1 大尺寸高性能金屬玻璃復合材料開發理念示意圖

圖片說明：通過異相形核，獲得均勻分散的轉變奧氏體相，控制過冷度，讓轉變奧氏體相略微長大，其他熔化的金屬轉變為玻璃基體。

（a）過冷的不足時的液態玻璃形成體

（b）生成形核劑

（c）轉變相形核

（d）剩余熔體形成玻璃

圖2 背散射SEM圖片

（a）（b）分別為尺寸為8mm的Cu₄₇Zr₄₈Al₄Ag₁和Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75，圖（b）中的插圖為含有Zr₅Sn₃顆粒的B2-CuZr局部放大圖

（c）直徑為5mm的Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75毛坯鑄件明場（BF）TEM圖，附帶有B2-CuZr與Zr₅Sn₃的選區電子衍射圖（SAED）

圖3 高角環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖

說明：快速傅里葉變換 (fast Fourier transform), 即利用計算機計算離散傅里葉變換(DFT)的高效、快速計算方法的統稱，簡稱FFT

（a）B2-CuZr與Zr₅Sn₃界面原子分辨率高角環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖，插圖為快速傅里葉變換模式，左：Zr₅Sn₃，右：B2-CuZr

（b）在[0001]_Zr5Sn3‖[012]_B2-CuZr條件下B2-CuZr/Zr₅Sn₃B界面的HAADF-STEM圖

圖4 BMG復合材料性能分析與微觀組織

（a）Cu₄₇Zr₄₈Al₄Ag₁（記為 Sn0）和Cu₂₅Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75（記為 Sn0.75）不同尺寸鑄造BMG復合材料的正應力應變曲線，（a1）中右上與右下方的插圖分別代表拉伸樣品和鑄造樣品；（a2）中插圖代表由8mm Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75鑄件加工試樣的拉伸斷裂圖

（b）（c）分別代表8mm鑄造Cu₂₅Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75樣品中B2-CuZr的微尺度與納米尺度典型TEM圖，插圖為對應的B2-Cu Zr 掃描電子衍射（SADE）模式

（d）（e）分別代表斷裂樣品中B2粒子的微尺度與納米尺度圖，其對應的SADE模式證實了形變誘導馬氏體由B2向B19的轉變

論文鏈接：Microstructural Control via Copious Nucleation Manipulated by In Situ Formed Nucleants: Large-Sized and Ductile Metallic Glass Composites

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