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北科呂昭平Nature子刊：新型合金設(shè)計方法，顯著提高大塊金屬玻璃塑性！

2021-12-20 16:54:58 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

在塊狀金屬玻璃（BMGs）中引入更松散的原子堆積區(qū)域，可以促進塑性變形，使BMGs在室溫下更具延展性。在此，來自北京科技大學(xué)的呂昭平等研究者，提出了一種不同的合金設(shè)計方法，即摻雜非金屬元素形成密集的填充圖案。相關(guān)論文以題為“Substantially enhanced plasticity of bulk metallic glasses by densifying local atomic packing”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26858-9

塊狀非晶玻璃從液態(tài)繼承了無序的非晶結(jié)構(gòu)。由于缺乏作為低勢壘變形載體的晶體缺陷，如位錯和堆垛缺陷，BMGs通常比它們的晶體對應(yīng)物更強、更硬。然而，BMGs合金在室溫下拉伸塑性極低，在載荷作用下往往發(fā)生災(zāi)難性破壞，嚴重阻礙了其廣泛應(yīng)用。與晶體相不同的是，BMGs的無序原子堆積不易定量描述，只有有限的方法來調(diào)整它們的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。因此，調(diào)整BMGs的力學(xué)性能以克服其室溫脆性，一直是一個長期存在的挑戰(zhàn)。

在遠低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的BMGs中，塑性變形主要是由于局部擴散躍遷或被稱為剪切轉(zhuǎn)變區(qū)（shear transformation zone, STZs）的原子團簇的局部共同剪切事件，即一組原子共同克服了局部原子重排的能量勢壘鞍點。變形能力源于金屬鍵合所固有的靈活性：離域電子允許金屬原子在彼此之間滑動而不受鍵合斷裂的影響，而鍵合斷裂有利于損傷而非剪切，例如在離子玻璃中。盡管局部剪切轉(zhuǎn)變開始的位置仍然難以預(yù)測，但人們普遍認為，在BMGs中引入更松散的填充區(qū)域，可以有效地促進局部塑性事件。這些區(qū)域具有較高的局部勢能，在加載時容易發(fā)生非彈性變形，表現(xiàn)為類液體行為。因此，增加松散填充區(qū)域的數(shù)量，可以有效地提高BMGs的塑性。

這種材料設(shè)計路線，通過低溫?zé)嵫h(huán)或嚴重塑性變形等方法提高了BMGs的塑性，這些方法通常通過增加密度較低區(qū)域的可用性來增強結(jié)構(gòu)波動。然而，目前大多數(shù)提高GMGSD塑性的方法，通常會由于引入更松散的填充區(qū)域而降低熱穩(wěn)定性和屈服強度。相比之下，松散填充區(qū)域的湮沒通常被認為可以提高強度和硬度，并改善熱穩(wěn)定性，但往往會惡化塑性，正如BMGs中退火誘發(fā)的脆化所證明的那樣。

在這里，研究者報告了一個新的設(shè)計概念，以改善BMGs的變形能力。研究者通過摻雜非金屬元素（NMEs）來增加BMG的結(jié)構(gòu)波動，這些元素具有較小的原子尺寸和與組成BMG的元素的混合負熱。研究者選擇的候選元素是氧、氮、碳和硼，分別添加到Ti-、Zr-和Cu基BMGs中，同時，確定了特別合適的摻雜體系（范圍從0.1%到0.3%），因此，研究者觀察到強度和延展性的顯著提高。這可以歸因于在非金屬溶質(zhì)周圍形成的局部致密堆積區(qū)域（LDPRs）體積分數(shù)的增加，同時避免了脆性二次相的形成。這些LDPRs的鄰近區(qū)域變得相對松散，從而增強了材料的結(jié)構(gòu)波動，促進了局部剪切，極大地提高了材料的宏觀塑性和韌性，并增強了強度。在熱力學(xué)的指導(dǎo)下，根據(jù)與這些摻雜劑相關(guān)的適當?shù)呢摶旌蠠幔摲椒ㄔ瓌t上是通用的，可以用于廣泛改善MGs性能。

圖1 基底與摻雜ZrTiHfCuNi BMGs材料的力學(xué)行為。

圖2 基合金納米壓痕探針τmax的相對頻率分布。

圖3 研究了基合金和O0.2、B0.2、O0.3摻雜合金的低溫比熱容實驗數(shù)據(jù)。

圖4 低溫下BMGs中γ弛豫的研究。

圖5 基合金和O摻雜合金的局部原子堆積和剪切響應(yīng)的MD模擬。

圖6 增強BMGs結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的兩種方法示意圖。

綜上所述，目前的研究結(jié)果表明了如何通過不同的設(shè)計概念成功地克服BMGs的室溫脆性。這是通過形成塑料順應(yīng)區(qū)，形成周圍的密集填充團簇包含間隙摻雜劑。在這種方法中，小的間隙原子被稱為“簇形成者”，因為它們體積小，熱力學(xué)上的考慮，以及它們部分的共價鍵貢獻。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不均一性的增加被證明是大幅度提高BMGs塑性的有效方法，在沒有損失的情況下，而是在強度上增加。因此，適當摻雜氧、硼、碳、氮等NMEs，可以同時提高塑性、強度、熱穩(wěn)定性，甚至增強GFA。這種組合在玻璃成型、可塑性、強度和成本之間取得了良好的平衡，為符合塑料和耐損傷的BMGs開辟了全新的合成、加工和應(yīng)用范圍。

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