日前，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院牟娟教授、王沿東教授課題組在國際材料頂級學(xué)術(shù)期刊《Acta Materialia》在線發(fā)表題為A stabilizedmartensitic nucleation mechanism in TRIP-reinforced metallic glass composites withfractal structure的研究論文。東北大學(xué)為該文的第一完成單位，材料科學(xué)與工程學(xué)院2019級博士、現(xiàn)冶金學(xué)院博士后趙子彥為第一作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院牟娟教授和王沿東教授為共同通訊作者。東北大學(xué)先進(jìn)亞穩(wěn)金屬材料研究中心、大連理工大學(xué)、美國阿貢國家實驗室以及北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實驗室為合作研究單位。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120941

形結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜幾何特征和自相似性，例如，自然界中的雪花在不同尺度下均呈現(xiàn)相似的微觀形態(tài)，即無論放大多少倍，其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)始終保持與整體相似。非晶復(fù)合材料中的枝晶相同樣展現(xiàn)出典型的分形特征。該文通過原位高能X射線衍射實驗和有限元模擬分析，首次揭示了具有分形結(jié)構(gòu)特征的TRIP強(qiáng)化非晶復(fù)合材料在形變誘發(fā)馬氏體相變過程中呈現(xiàn)的獨(dú)特的穩(wěn)定形核機(jī)制。在彈塑性變形階段，即非晶基體處于彈性變形而晶態(tài)相發(fā)生塑性變形的過程中，馬氏體相變優(yōu)先在曲率較高、曲率半徑與加載軸約呈45°的位置形核，并在幾何約束作用下長大受限。隨著應(yīng)變的增加，由分形結(jié)構(gòu)誘發(fā)的穩(wěn)定馬氏形核機(jī)制導(dǎo)致了“馬氏體誘發(fā)剪切帶”和“剪切帶誘發(fā)馬氏體”的分階段交互作用。

在前塑性階段，變形機(jī)制主要由“馬氏體誘發(fā)剪切帶”主導(dǎo)，低體積分?jǐn)?shù)的剪切帶與馬氏體以及二者的均勻分布特征，導(dǎo)致其具有較高的屈服應(yīng)力。而在后塑性階段，“剪切帶誘發(fā)馬氏體”機(jī)制占主導(dǎo)地位，多尺度的枝晶尺寸與枝晶間距促使該過程逐級進(jìn)行，從而有效延長TRIP效應(yīng)。這些由分形枝晶主導(dǎo)的變形機(jī)制有效突破了傳統(tǒng)TRIP強(qiáng)化非晶復(fù)合材料中以犧牲強(qiáng)度來提升塑性的局限性。

圖1 (a-e) 有限元模擬揭示分形結(jié)構(gòu)誘發(fā)的穩(wěn)定馬氏體形核機(jī)制；(f-g) 原位衍射實驗表征不同分形維度（D）復(fù)合材料中形變誘發(fā)相變轉(zhuǎn)變特征，揭示分形維度對馬氏體相變動力學(xué)影響。

圖2 分形維度為1.18和1.68的復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)演變以及變形機(jī)制示意圖

該研究不僅拓展了對TRIP強(qiáng)化非晶復(fù)合材料中分形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)認(rèn)知，深化了對其變形機(jī)制的理解，同時為高性能復(fù)合材料的設(shè)計提供了新的理論支撐。上述研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金項目的支持。