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《PNAS》杨勇、管鹏飞等工作：加工硬化多组元金属玻璃的本征拉伸塑性

发布日期：2024-05-08 浏览次数：2208

金属玻璃因为其优异的性能被广泛应用于微纳制造，生物医学及国防军事等领域。然而，金属玻璃的一个致命弱点是在室温下缺乏塑性，特别是拉伸条件下，这一问题严重阻碍了它在诸多领域的应用。传统合金可以通过位错等缺陷实现加工硬化和塑性变形。而金属玻璃由于缺少这些缺陷，表现出应变软化的行为，从而加速剪切失稳和断裂。目前已经发展出很多方法来改善金属玻璃的室温脆性，比如表面处理和回春等。虽然，这些方法一定程度上改善了拉伸塑性，但塑性提升的程度有限（<1%），同时伴随着强度的下降。最重要的是，金属玻璃脆性的源头，即应变软化的行为没有得到根本的解决。

为解决这一问题，近期香港城市大学杨勇教授联合北京计算科学研究中心管鹏飞教授在期刊Proceedings of the National Academy of Sciences上发表一篇名为“Intrinsic tensile ductility in strain hardening multiprincipal element metallic glass”的文章。

研究团队通过在传统的TiZrHf合金中引入大量Co元素，制备出Ti25Zr25Hf25Co25多组元金属玻璃。如图1所示，这种金属玻璃表现出高度的结构和化学不均匀性，特别是Co元素，在纳米尺度上具有明显的团簇。DSC和DMA分析显示，该金属玻璃内部存在大量易于激活的类液原子，同时进入玻璃转变后，很快被晶化过程打断，转而出现硬化行为（图2）。基于以上发现，研究人员对Ti25Zr25Hf25Co25进行了多尺度的单轴拉伸实验（图3）。结果表明，Ti25Zr25Hf25Co25在宏观和微观上均表现出显著的拉伸塑性和加工硬化行为。室温下的宏观拉伸塑性可以达到2%，加工硬化更是接近屈服强度的一倍。拉伸塑性和断裂强度均超过了目前已报道的金属玻璃，实现了高塑性和高强度的结合。拉伸后的样品表面出现的大量自锁的剪切带，这说明拉伸过程中出现了剪切滑移，随后被中断，从而阻碍了剪切失稳和断裂。如图4所示，剪切带内部Co元素发生剧烈的偏析，同时出现大量纳米晶。分子动力学模拟表明，在剪切过程中，一方面Co元素沿剪切方向迅速扩散，导致贫Co区纳米晶的形核和生长（图5）。另一方面，结晶过程又会促进剪切带内Co元素的排出，进一步加速结晶过程，从而阻碍剪切带的发展，导致加工硬化行为和本征的拉伸塑性，从根本上解决了应变软化的问题。同时，研究发现，由于多组元金属玻璃晶化产物的复杂性，剪切膨胀可以通过晶化过程实现，恰好避免了剪切膨胀与晶化导致的收缩之间的矛盾，防止了孔隙和裂缝的形成。研究者表示，结合现有的表面处理，几何设计，冷轧等方法，可以更进一步的增强Ti25Zr25Hf25Co25的拉伸性能。因此，目前的工作为设计更多高强高韧金属玻璃提供了切实可行的设计思路。

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