大塊金屬玻璃原子長程無序，表現出優異的力學性能，如高強度、高硬度、大彈性等，是一種很有前景的結構材料。然而當溫度遠低于玻璃轉變溫度時，大塊金屬玻璃塑性應變高度集中在狹窄的剪切帶。剪切帶的快速不穩定傳播導致了災難性破壞，使得金屬玻璃一般表現為零拉伸塑性和低韌性，嚴重阻礙了其實際應用。為了促進剪切帶的增殖并抑制剪切帶的擴展，金屬玻璃復合材料已被廣泛探索并開發。在各種合金體系中，具有β-Ti/Zr枝晶的Ti/Zr基金屬玻璃復合材料引起了廣泛的研究興趣。室溫和液氮溫度之間的低溫熱循環是一種改變金屬玻璃和復合材料結構和能量狀態的簡單方法，誘導玻璃相的年輕化。年輕化誘導金屬玻璃和復合材料塑性和韌性的提高，但相反的老化過程往往導致脆性。因此，年輕化為調節玻璃基體的能態和力學性能提供了新思路。目前，低溫熱循環年輕化的基本機制及其對力學性能的影響仍遠未被充分了解，迫切需要系統研究低溫熱循環對金屬玻璃復合材料沖擊韌性的影響。

基于此，中科院金屬所的研究團隊系統地研究了低溫熱循環對含β-Ti枝晶Ti基金屬玻璃復合材料組織和沖擊韌性的影響。研究發現，低溫熱循環引起玻璃基體能量態的非單調演化，進而影響金屬玻璃復合材料的沖擊韌性。相關論文以題為“Non-monotonic influence of cryogenic thermal cycling on rejuvenation and impact toughness of Ti-based bulk metallic glass composites”發表在Scripta Materialia上。

論文鏈接： 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223000659

圖1(a)鑄態和低溫熱循環處理的金屬玻璃復合材料的XRD圖譜；(b)和(c) EBSD彩色圖，(d)和(e) KAM圖，(f)和(g) TEM顯微圖。

圖2 (a)不同低溫熱循環處理的金屬玻璃復合材料的DSC圖譜；(b)在Tg之前的局部放大圖；(c)弛豫焓隨循環次數的演化。

圖3(a) 鑄態和低溫熱循環處理的金屬玻璃復合材料在298 K時的沖擊韌性；(b)和(c)主裂紋旁邊區域的SEM顯微圖，(d)和(e) KAM圖，(f)和(g) TEM顯微圖。

圖4 低溫熱循環處理機制示意圖。

在本研究中，研究人員系統研究了低溫熱循環處理對含β-Ti枝晶Ti基金屬玻璃復合材料結構演化和沖擊韌性的影響。結果表明，低溫熱循環處理的加入并沒有改變β-Ti枝晶的微觀結構，但隨著循環次數的增加，玻璃基體的結構演化由年輕化和老化交替主導，形成非單調的年輕化。玻璃基體的非單調年輕化行為對金屬玻璃復合材料沖擊韌性影響十分明顯。298 K時玻璃基體和枝晶的協同增韌作用由更活化的狀態引起，金屬玻璃復合材料的沖擊韌性變化趨勢與玻璃基體能量態的非單調變化趨勢相同。但是在77 K時由于玻璃基體的韌性降低，玻璃基體的固有韌性決定了金屬玻璃復合材料的韌性，韌性變化趨勢與玻璃基體的非單調年輕化相反。這些發現闡明了低溫熱循環過程中年輕化和老化的變化及其對沖擊韌性的影響。