導(dǎo)讀：具有高強(qiáng)度和大拉伸延展性的晶體材料通常表現(xiàn)出高斷裂韌性。然而，盡管塊狀金屬玻璃復(fù)合材料（BMGCs）相較于塊狀金屬玻璃（BMGs）在強(qiáng)度和延展性的綜合性能上有了顯著提升，但其斷裂韌性往往低得多。此外，塊狀金屬玻璃復(fù)合材料在單軸拉伸應(yīng)力下以及在斷裂韌性測(cè)量過(guò)程中處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的變形機(jī)制，在很大程度上仍不為人所知。在此，我們研究了含有穩(wěn)定晶體或可相變晶體的鈦基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料的拉伸性能和斷裂韌性。可相變的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料相較于含有穩(wěn)定晶體的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料，展現(xiàn)出了顯著改善的拉伸性能，但斷裂韌性卻更低，這與晶體材料中普遍存在的常見(jiàn)認(rèn)知相悖。

研究表明，玻璃-晶體雙相塊狀金屬玻璃復(fù)合材料中的變形機(jī)制對(duì)應(yīng)力狀態(tài)十分敏感。雖然在單軸拉伸下，可相變的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料中很大一部分變形誘導(dǎo)馬氏體以及通過(guò)剪切帶產(chǎn)生的塑性變形會(huì)發(fā)生，但在斷裂韌性測(cè)量過(guò)程中，由于裂紋尖端的應(yīng)力三軸性，這種變形受到了抑制，從而導(dǎo)致斷裂韌性降低。

基于這些發(fā)現(xiàn)，我們提出了一種依賴于調(diào)整晶相的亞穩(wěn)性的策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。新設(shè)計(jì)的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料的拉伸性能和斷裂韌性同時(shí)得到了提升，優(yōu)于所有已報(bào)道的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料。

塊狀金屬玻璃（BMGs）由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、高硬度和大彈性，且原子堆積不存在長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，是很有前景的結(jié)構(gòu)材料。然而，塊狀金屬玻璃在遠(yuǎn)低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，承受單軸拉伸時(shí)通常表現(xiàn)出零拉伸延展性和災(zāi)難性的破壞。這是因?yàn)樗苄詰?yīng)變會(huì)局部化到狹窄的“剪切帶”中，隨后剪切帶不受阻礙地?cái)U(kuò)展，導(dǎo)致拉伸試樣發(fā)生破壞。

為了克服這一主要缺點(diǎn)，含有原位形成晶相的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料（BMGCs）已被研發(fā)出來(lái)。在已構(gòu)思的眾多塊狀金屬玻璃復(fù)合材料中，含有β-Ti/Zr晶體的Ti/Zr基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料，以及含有B2-CuZr(Ti)晶體的CuZr(Ti)基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料是兩類研究最為活躍的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料。

Ti/Zr基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料通常含有穩(wěn)定的β-Ti/Zr晶體，也就是說(shuō)，它們不易發(fā)生變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變（DIMT），其變形響應(yīng)由位錯(cuò)介導(dǎo)的塑性（DMP）所控制。這類塊狀金屬玻璃復(fù)合材料在拉伸時(shí)通常表現(xiàn)出明顯的宏觀應(yīng)變軟化和較差的均勻延伸率，這反映出材料的使用安全性較差。

相比之下，具有B2晶體結(jié)構(gòu)且能夠發(fā)生變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變的晶相的CuZr基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料在拉伸時(shí)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化。最近，具有β-Ti↔α″-Ti變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變的Ti基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料引起了廣泛的研究興趣，因?yàn)槠?/span>β-Ti枝晶的微觀結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)性可以被調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)較大的拉伸延展性，同時(shí)伴有高應(yīng)變硬化能力。

一種簡(jiǎn)單直接估計(jì)材料韌性的方法是測(cè)量真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。這被稱為靜態(tài)韌性（也稱為拉伸韌性），UT體現(xiàn)了拉伸性能，并且取決于拉伸強(qiáng)度和延展性。作為一個(gè)本質(zhì)上反映試樣在拉伸變形過(guò)程中通過(guò)塑性變形吸收能量的參數(shù)，UT與斷裂韌性密切相關(guān)，斷裂韌性代表了材料抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力。靜態(tài)韌性和斷裂韌性對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)材料的使用安全性都至關(guān)重要。

對(duì)于晶體材料來(lái)說(shuō)，UT和斷裂韌性呈正相關(guān)，靜態(tài)韌性的增加通常會(huì)導(dǎo)致斷裂韌性的提高。這一可能性是許多塊狀金屬玻璃研究領(lǐng)域的研究人員追求不同策略以使塊狀金屬玻璃具有加工硬化行為，進(jìn)而提高其延展性的主要潛在因素。

然而，對(duì)于塊狀金屬玻璃和塊狀金屬玻璃復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，UT和斷裂韌性之間的關(guān)系仍不明確。就塊狀金屬玻璃而言，可以實(shí)現(xiàn)較高的斷裂韌性，例如，鈀基和鋯基塊狀金屬玻璃的I型斷裂韌性值高達(dá)200 MPa m1/2 ，但拉伸延展性為零，導(dǎo)致UT較低。同樣，含有穩(wěn)定β-Zr枝晶的鋯基塊狀金屬玻璃復(fù)合材料在所有已報(bào)道的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料中表現(xiàn)出最高約173 MPa m1/2 的韌性，但在拉伸時(shí)表現(xiàn)出嚴(yán)重的應(yīng)變軟化和較差的均勻延伸率（約2%）。

相比之下，含有可相變晶體的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料表現(xiàn)出比單一的塊狀金屬玻璃和含有穩(wěn)定晶體的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料更好的強(qiáng)度和延展性的組合，但已報(bào)道的可相變塊狀金屬玻璃復(fù)合材料的最高斷裂韌性僅為105 MPa m1/2 ，遠(yuǎn)低于塊狀金屬玻璃和含有穩(wěn)定晶體的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料的斷裂韌性。

塊狀金屬玻璃復(fù)合材料中拉伸性能和斷裂韌性之間這種在一定程度上的負(fù)相關(guān)關(guān)系，凸顯了進(jìn)一步研究單軸拉伸試驗(yàn)（其中應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單）過(guò)程中普遍存在的變形機(jī)制，并與斷裂韌性測(cè)量過(guò)程中（裂紋尖端前方的應(yīng)力狀態(tài)為三軸且通常相當(dāng)復(fù)雜）發(fā)生的變形機(jī)制進(jìn)行比較的必要性。

在這項(xiàng)工作中，中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)地研究了含有由位錯(cuò)介導(dǎo)塑性（DMP）的穩(wěn)定晶體或由變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變（DIMT）的可相變晶體的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料的拉伸性能和斷裂韌性。與含有穩(wěn)定晶體的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料相比，可相變的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的拉伸性能，但斷裂韌性較低。實(shí)驗(yàn)和輔助的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬揭示了塊狀金屬玻璃復(fù)合材料在單軸拉伸應(yīng)力和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下不同的變形機(jī)制。基于這些認(rèn)識(shí)，我們提出了一種同時(shí)提高塊狀金屬玻璃復(fù)合材料拉伸性能和斷裂韌性的策略，并證明新設(shè)計(jì)的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能。

相關(guān)研究成果以“Simultaneous enhancement of tensile properties and fracture toughness of bulk metallic glass composites”發(fā)表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425003088

圖1. 鑄態(tài)Fe2-NT和Fe0-MT合金的微觀結(jié)構(gòu)。(a) 和 (b) 反極圖（IPF）彩色圖，插圖分別顯示了Fe2-NT和Fe0-MT中β-Ti的晶體學(xué)取向（上方）和X射線衍射（XRD）掃描圖（下方）。(c) 和 (d) 分別是Fe2-NT和Fe0-MT的透射電子顯微鏡（TEM）顯微照片，內(nèi)附選區(qū)電子衍射（SAED）圖樣。

表1. 所研究的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料（BMGCs）的成分和簡(jiǎn)稱。同時(shí)列出了測(cè)量得到的β-Ti相體積分?jǐn)?shù)
、β-Ti二次枝晶臂的平均尺寸
，以及通過(guò)能量色散X射線光譜（EDS）測(cè)定的兩相成分。

圖2. (a) Fe2-NT和Fe0-MT的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖展示了無(wú)缺口拉伸試樣的幾何形狀示意圖。(b) 無(wú)缺口的Fe2-NT和Fe0-MT的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）和斷裂應(yīng)變（εf）的統(tǒng)計(jì)直方圖。(c) 已報(bào)道的最小鑄造尺寸大于5毫米且拉伸應(yīng)變大于5%的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料（BMGCs）的均勻延伸率（εu）與強(qiáng)度（S）的對(duì)比情況。(d) Fe2-NT和Fe0-MT的靜態(tài)韌性（UT）和斷裂韌性（KJ）的統(tǒng)計(jì)直方圖。

表2. 所研究的塊狀金屬玻璃復(fù)合材料（BMGCs）的力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度
、極限抗拉強(qiáng)度（UTS）、應(yīng)變硬化能力
、均勻延伸率
以及單軸拉伸下的斷裂應(yīng)變
。同時(shí)還列出了靜態(tài)韌性（UT）和缺口韌性
。

圖3. 拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的微觀結(jié)構(gòu)。(a) 和 (b) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片，插圖為X射線衍射（XRD）掃描圖。(c) 和 (d) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的相圖。(e) 和 (f) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT相應(yīng)的反極圖（IPF）彩色圖。(g) 和 (h) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的透射電子顯微鏡（TEM）顯微照片，內(nèi)附選區(qū)電子衍射（SAED）圖樣。

圖4. Fe0-MT-10在原位拉伸實(shí)驗(yàn)不同應(yīng)變階段的微觀形貌：(a)-(c) 分別是實(shí)驗(yàn)前鑄態(tài)Fe0-MT的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、相圖和反極圖（IPF）彩色圖；(d)-(f) 為宏觀屈服點(diǎn)時(shí)的圖像；(g)-(i) 是應(yīng)變硬化階段的圖像；(j)-(l) 為斷裂前的圖像。

圖5. Fe2-NT在斷裂韌性測(cè)量過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)。(a) 和 (b) 分別是在約800牛和約1100牛載荷下缺口尖端區(qū)域的顯微圖像，插圖為局部放大的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖像。(c) 裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋尖端區(qū)域的顯微圖像，插圖為X射線衍射（XRD）掃描圖。(d) 斷裂后的Fe2-NT的缺口尖端區(qū)域圖像，插圖為裂紋擴(kuò)展路徑。(e) 和 (f) 分別是斷裂后的Fe2-NT的相圖和相應(yīng)的反極圖（IPF）彩色圖。(g) 和 (h) 分別是斷裂后的Fe2-NT在不同位置的透射電子顯微鏡（TEM）顯微圖像，內(nèi)附選區(qū)電子衍射（SAED）圖樣。

圖6. Fe0-MT在斷裂韌性測(cè)量過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)。(a) 在約800牛載荷下缺口尖端區(qū)域的顯微圖像，插圖為局部放大的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖像。(b) 裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋尖端區(qū)域的顯微圖像。(c) 和 (d) 分別是裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋路徑附近的相圖和相應(yīng)的反極圖（IPF）彩色圖。(e) 斷裂后的Fe0-MT的缺口尖端區(qū)域圖像，插圖為裂紋擴(kuò)展路徑。(f) 斷裂后的Fe0-MT的透射電子顯微鏡（TEM）顯微圖像，內(nèi)附選區(qū)電子衍射（SAED）圖樣。(g) 和 (h) 分別是斷裂后的Fe0-MT的缺口尖端區(qū)域的相圖和相應(yīng)的反極圖（IPF）彩色圖。

圖7. 兩種無(wú)缺口金屬玻璃復(fù)合材料（MGCs）中變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變（DIMT）和剪切帶的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬。(a) 和 (b) 分別是含有面心立方（FCC）銅晶體的無(wú)缺口金屬玻璃復(fù)合材料以及含有可相變B2-CuZr晶體的無(wú)缺口金屬玻璃復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的模擬情況。(c) 玻璃/晶體界面附近剪切帶（在本圖中簡(jiǎn)稱為SB）的厚度隨塑性應(yīng)變變化的關(guān)系圖。(d) 應(yīng)變局部化程度隨塑性應(yīng)變變化的關(guān)系圖。

圖8. 兩種帶缺口的金屬玻璃復(fù)合材料（MGCs）中變形誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變（DIMT）和剪切帶的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬。(a) 和 (b) 分別是含有面心立方（FCC）銅晶體的帶缺口金屬玻璃復(fù)合材料以及含有可相變B2-CuZr晶體的帶缺口金屬玻璃復(fù)合材料在不同應(yīng)變下的模擬情況。(c) 玻璃/晶體界面附近剪切帶（在本圖中簡(jiǎn)稱為SB）的厚度隨塑性應(yīng)變變化的關(guān)系圖。(d) 應(yīng)變局部化程度隨塑性應(yīng)變變化的關(guān)系圖。

圖9. (a) 含有面心立方（FCC）銅晶體的無(wú)缺口和有缺口的金屬玻璃復(fù)合材料（MGCs）的位錯(cuò)密度隨塑性應(yīng)變的變化關(guān)系圖。(b) 含有可相變B2-CuZr晶體的無(wú)缺口和有缺口的金屬玻璃復(fù)合材料（MGCs）的相變含量隨塑性應(yīng)變的變化關(guān)系圖。