通过基于锆的大块金属玻璃中的非单调梯度结构实现强度-塑性协同效应

BMGs通过动态耦合温度应力场快速构建非单调梯度结构，显著提升强度塑性。实验采用弹性应力加载（X=30%、40%、50%）与423K热处理耦合，结合77K深冷处理，形成梯度应力场和自由体积分布，诱导剪切带分叉与多路径传播，实现1720MPa屈服强度和18.5%压缩塑性。

　　

付晓强|李春燕|赵振祥|裴超群|李学松|苏正瑞|王海群|寇胜中|孙宝安|毛玉辰

中国甘肃省兰州市兰州理工大学材料科学与工程学院先进有色金属加工与回收国家重点实验室，730050

摘要

本研究提出了一种在锆基大块金属玻璃（BMGs）中快速构建非单调梯度结构的策略，以克服其有限的塑性。该方法依赖于温度场和应力场的动态耦合。具体而言，在热条件（T=423 K）下施加弹性应力（δ=X·δ_y，X=30%、40%、50%）和低温处理（T=77 K）相结合，能够实现残余应力和自由体积的重新分布。通过纳米压痕、差示扫描量热法（DSC）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）和维氏硬度测试对结构进行了系统表征。在热弹性加载阶段，温度梯度导致内部和外部之间的松弛行为不同，从而产生自由体积的梯度分布。同时，在应力的耦合作用下，形成了残余应力梯度分布。此外，由于拉伸应力和压缩应力之间的不对称性，低温处理进一步增强了这种梯度结构，从而实现了宏观可控的非单调梯度结构。这种结构改变了剪切带的线性传播路径，并在梯度过渡区域产生了多个剪切带，有效延长了均匀应变的持续时间。最终，获得了1720 MPa的屈服强度和18.5%的压缩塑性。本研究为快速构建梯度结构以及提高BMGs的机械性能提供了新的见解。

引言

大块金属玻璃（BMGs）具有独特的无序原子结构，具有高强度、优异的耐磨性和显著的弹性极限，逐渐成为下一代工程材料的理想候选材料[1]、[2]、[3]、[4]。然而，BMGs在高应变下会发生明显的应变软化，同时压缩塑性有限，拉伸延展性接近于零，因此存在与传统晶体材料相同的强度-延展性trade-off[5]、[6]、[7]。为了突破这一瓶颈，研究人员付出了大量努力。对于晶体材料，通过晶粒细化和晶界工程等调控策略实现了强度和延展性的同时提高[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。对于BMGs，常见的优化方法是通过调整元素组成来调控微观结构，从而提高机械性能。例如，通过元素调控可以实现纳米级的化学非均匀性，使BMGs具有均匀的塑性流动和40%的压缩应变[14]。此外，还可以通过外部场（包括应力[15]、[16]和温度[17]、[18]）来调节非晶结构的非均匀性，这也能够显著提高机械性能。例如，静态应力加载（SL）可以诱导结构恢复，从而产生明显的应变硬化行为，并增强剪切带的分支，提高延展性[19]、[20]。同时，同步引入的残余应力也会引起应变硬化，从而提高BMGs的强度和延展性。例如，喷丸处理可以实现平均11%的延展性[21]、[22]。此外，低温处理通过改变应力分布和诱导局部原子重排，实现了强度和延展性的协同增强[23]。例如，基于Fe的非晶合金通过低温循环处理实现了5.2%和6.1%的压缩塑性[24]、[25]。然而，元素调控的方法处理周期较长，而目前的应力或温度介导的处理方法不会对非晶结构产生宏观尺度的改变。

为了进一步提高BMGs的强度-延展性协同效应，构建梯度结构被认为是一种有效策略。例如，通过CTC（Cross-Thread Cutting）可以成功构建双软硬核壳结构，有效改变剪切带的传播路径，显著提高材料的延展性[26]。同时，研究还表明，这种梯度结构通常处于低能量状态，从而降低了剪切带传播的驱动力，提高了延展性[27]。此外，构建自由体积梯度已被证实可以实现高强度和延展性的优异协同组合[28]。例如，二维梯度结构将BMGs的延展性提高了7.2%[29]。然而，目前引入这种结构的方法仅依赖于单独调节应力或温度场，多场耦合处理的研究相对较少。此外，BMGs中梯度结构的制备涉及复杂的工艺和较长的处理周期。例如，静态应力加载需要将应力维持在屈服强度的90%数小时，而热循环需要数十个循环才能完成[20]、[25]。因此，明确如何在BMGs中快速构建宏观可控的梯度结构至关重要，这对于BMGs的强度和延展性的协同增强非常重要。

在本研究中，我们提出了一种通过温度场和应力场的动态耦合处理，在锆基BMGs中快速构建梯度结构的新方法。与传统单场处理方法相比，该方法仅使用40%的δ_{y应力、0.3 Tg的温度和20分钟的处理时间，显著提高了处理效率。在热加载过程中，梯度温度和应力之间的耦合产生了内部低、表面高的残余应力场。同时，表层的松弛导致自由体积含量减少。这种梯度分布特性在低温处理后进一步加剧。松弛焓、弹性模量和硬度的分布直接证实了这种梯度结构的形成。这种结构改变了剪切带的传播方向，并在变形区域诱导了多个剪切带的形成，显著提高了材料的塑性应变能力。最终，实现了1720 MPa的屈服强度和18.5%的压缩塑性。本研究为通过快速构建梯度结构来提高BMGs的机械性能提供了新的见解。}

材料与实验方法

本研究中使用的合金的名义组成为Zr₆₁Cu₂₅Al₁₂Ti₂，所有组成元素的纯度均高于99.9%。实验测得的实际元素含量见表1。纯金属原料在水冷铜坩埚中通过电弧熔炼熔化。为确保成分均匀性，锭材至少重新熔炼了六次。随后，通过铜模吸铸制备了直径为3毫米的合金棒。

TLC（热压痕）的具体步骤

非单调梯度结构的表征

图1a展示了本研究中使用的TLC处理过程。有关详细操作程序，请参见第2.1节。TLC样品的结构特征通过HRTEM进行了表征，如图1b所示。图像显示整个观察区域内存在均匀的无序结构。相应的选区电子衍射（SAED）图案显示出一个宽化的弥散晕圈，没有可观察到的布拉格衍射斑点，从而证实了...

结论

本研究采用热弹性加载与低温处理相结合的方法，实现了BMGs强度和延展性的协同增强。结论如下：

• 1.
  通过温度和应力的耦合效应，仅需0.3 T_g和40% δ_y，就可以在BMGs中快速构建非单调梯度结构，实现了1720 MPa的屈服强度和18.5%的优异延展性。
• 2.
  在热机械耦合作用下，...

CRediT作者贡献声明

孙宝安：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、概念构思。毛玉辰：验证。李春燕：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。裴超群：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。赵振祥：形式分析。付晓强：撰写 – 原始草案、软件使用、方法论、实验研究、形式分析、概念构思。寇胜中：监督。王海群：验证。苏正瑞：验证。李学松：实验研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62488201、52192602、52261032）、温州市基础公益科研项目（G2023020）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515110145）、中国博士后科学基金（2024M762276）以及伊春经济技术开发区的“挑战与响应”科技项目（项目编号YCJKQ 2023JBGSXM02）的支持。