中科院金屬所李毅Acta Mater.：ZrCuNiAl塊體金屬玻璃的韌性斷裂

【引言】

大塊金屬玻璃（BMGs）表現出非常脆的行為，無拉伸塑性。與其晶體金屬對應物不同，其變形通常由位錯運動驅動，剪切帶是主要的塑性變形模式。BMGs的斷口相對平整，類似于結晶金屬的解理脆性失效。可以想象，如果能夠抑制或完全消除BMGs變形模式的剪切特性，金屬玻璃可以通過完全不同的形式變形，預示著BMGs延性性質的表現。有實驗表明，當樣品尺寸與剪切帶的厚度相當時，剪切帶可以被有效地抑制，樣品具有良好的拉伸塑性、高強度和韌性斷裂。然而，只有樣品尺寸達到納米尺寸時才觀察到這些。室溫下大塊樣品的均勻變形和韌性斷裂很少報導。

【成果簡介】

近日，中科院金屬所的李毅研究員（通訊作者）團隊在Acta Mater.上發表了一篇名為“Ductile fracture in notched bulk metallic glasses”的文章，研究人員通過抑制剪切帶，發現Zr基BMGs在拉伸時發生金屬狀韌性斷裂。在沒有剪切帶的情況下，空穴/孔洞成核，隨后孔洞長大和聯合主導了初始塑性失效過程，使得BMGs能夠出現深凹坑和杯錐狀的韌性斷裂基本特征。這種韌性斷裂只發生在非晶態合金中，不在完全結晶的相應物中。這些研究結果揭示了BMGs隱藏的韌性行為，提供了通過去除剪切帶增強BMGs延展性的方法。

【圖文導讀】

圖1 深切口金屬玻璃拉伸試樣示意圖

（a）拉伸試樣示意圖，切口區域的應力狀態可以通過調節d和(或)h來改變

（b）切口尺寸為d/h = 6的典型切口Zr基BMG試樣

圖2 Zr基BMGs試樣的應力應變曲線

（a）室溫下未切口樣品和具有各種切口尺寸的Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀?BMG試樣的應力應變曲線。

（b）斷裂強度和拉伸塑性作為d/h的函數。

圖3 切口BMG試樣在拉伸試驗前后的顯微組織結構

（a-e）拉伸之前

（f-t）拉伸之后

圖4 不同狀態下Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀樣品的結構和形貌

（a）鑄態、退火和全結晶Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀樣品的XRD圖

（b）TEM圖像和退火樣品的選區電子衍射

圖5 切口BMG拉伸塑性變形示意圖

（a-d）變形期間空穴/孔洞形成、生長和聯合的示意圖，導致杯錐形態

（e-g）拉伸試驗后的Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀?BMG的相應形態

圖6 歸一化平均應力和歸一化距離的函數關系

（a）切口和未切口樣本最小橫截面平面內的歸一化平均應力和歸一化距離、缺口尺寸的函數

（b）切口尺寸為d/h = 6的缺口試樣最小橫截面平面內的σ_rr、σ_θθ、σ_zz、σ_m和σ_eff和歸一化距離的函數

【小結】

金屬玻璃經常沿剪切帶表現出“玻璃狀”的脆性失效行為。在這項工作中，研究人員將這一觀點推翻，并得出無剪切帶BMGs的“金屬狀”韌性斷裂結論。

文獻鏈接：Ductile fracture in notched bulk metallic glasses (Acta Mater.,2017, DIO.org/10.1016/j.actamat.2017.06.048)

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