Adv. Mater. 北科大块体非晶复合材料新进展-原位形核微结构控制造就高性能非晶合金

长程无序赋予块体金属玻璃（BMGs）独一无二的机械、化学和物理性能，促使金属玻璃成为最有发展前途的工程材料。然而，金属玻璃应变软化和室温脆性是其实用化的唯一致命缺点，如何解决这一问题显得尤为重要。

对此，研究人员试图在不同长度范围，通过将玻璃基体与结晶相结合，引入多样化的显微结构来实现这一目标，其中原位树枝晶强化BMG复合材料表现出了非常突出的压缩塑性。然而，这种BMG复合材料在应力作用下，仍然表现出了过早颈缩与应变软化的特点。虽然通过冷却获得原位奥氏体并在随后经塑性变形转变为马氏体，这种高强高延伸性（TRIP）的设计理念可以获得拉伸塑性和加工硬化，但是目前所有TRIP强化BMG复合材料只能获得有限的尺寸（直径约为3mm），而且显微结构对加工条件非常敏感，这就严重限制了其工程应用。

近日，来自北京科技大学新金属材料国家重点实验室的吴渊、吕昭平（共同通讯作者）等研究人员，提出了一种非常有效的方案，在TRIP强化BMG复合材料不损坏基体玻璃成型能力（GFA）的情况下，实现对大尺寸BMG复合材料转变相形核与晶体长大的控制，并最终在玻璃复合材料中获得了非常优异的拉伸与加工硬化性能。该成果为开发大尺寸、高性能的先进BMG基复合材料开辟了新的道路。

【图文导读】

图1 大尺寸高性能金属玻璃复合材料开发理念示意图

图片说明：通过异相形核，获得均匀分散的转变奥氏体相，控制过冷度，让转变奥氏体相略微长大，其他熔化的金属转变为玻璃基体。

（a）过冷的不足时的液态玻璃形成体

（b）生成形核剂

（c）转变相形核

（d）剩余熔体形成玻璃

图2 背散射SEM图片

（a）（b）分别为尺寸为8mm的Cu₄₇Zr₄₈Al₄Ag₁和Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75，图（b）中的插图为含有Zr₅Sn₃颗粒的B2-CuZr局部放大图

（c）直径为5mm的Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75毛坯铸件明场（BF）TEM图，附带有B2-CuZr与Zr₅Sn₃的选区电子衍射图（SAED）

图3 高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图

说明：快速傅里叶变换 (fast Fourier transform), 即利用计算机计算离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称，简称FFT

（a）B2-CuZr与Zr₅Sn₃界面原子分辨率高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图，插图为快速傅里叶变换模式，左：Zr₅Sn₃，右：B2-CuZr

（b）在[0001]_Zr5Sn3‖[012]_B2-CuZr条件下B2-CuZr/Zr₅Sn₃B界面的HAADF-STEM图

图4 BMG复合材料性能分析与微观组织

（a）Cu₄₇Zr₄₈Al₄Ag₁（记为 Sn0）和Cu₂₅Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75（记为 Sn0.75）不同尺寸铸造BMG复合材料的正应力应变曲线，（a1）中右上与右下方的插图分别代表拉伸样品和铸造样品；（a2）中插图代表由8mm Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75铸件加工试样的拉伸断裂图

（b）（c）分别代表8mm铸造Cu₂₅Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75样品中B2-CuZr的微尺度与纳米尺度典型TEM图，插图为对应的B2-Cu Zr 扫描电子衍射（SADE）模式

（d）（e）分别代表断裂样品中B2粒子的微尺度与纳米尺度图，其对应的SADE模式证实了形变诱导马氏体由B2向B19的转变

论文链接：Microstructural Control via Copious Nucleation Manipulated by In Situ Formed Nucleants: Large-Sized and Ductile Metallic Glass Composites

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