《Journal of Alloys and Compounds》：Optimizing Impact Toughness of Zr-based Bulk Metallic Glasses via Cryogenic Thermal Cycling-Induced Free Volume Engineering
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冷热循环处理通过调控非晶合金的微观结构异质性改善冲击韧性，适度过量处理引发剪切带定向扩展导致韧性下降，建立自由体积工程与冲击性能的非单调关联。
赵振祥|李春燕|傅晓强|杨龙鹏|蒲永亮|高家庆|苏正瑞|寇胜中|赵二祥|李晓成
中国甘肃省兰州市兰州工业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
本研究探讨了低温热循环（CTC）处理对(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97.4Er2.6块状金属玻璃（BMGs）的冲击韧性和变形机制的影响。结果表明，CTC处理导致自由体积增加（松弛焓ΔHrel从1.52 J/g增加到3.29 J/g），降低了剪切带的形成能垒，并增强了材料的锯齿状流动和蠕变行为。CTC处理改变了BMG的结构异质性，这对提高冲击韧性有益。CTC30样品的冲击韧性达到22.40 J/cm2，比铸态提高了59%，其断裂表面具有均匀分布的凹坑。然而，过度的结构异质性（CTC60）会在BMG内部形成较大规模的软区，促使剪切带沿特定方向传播，形成树枝状带状结构，从而导致韧性略有下降。通过多参数归一化分析，我们阐明了CTC诱导的结构异质性与冲击韧性之间的非单调关系，确立了适度异质性有助于提高韧性，而过度异质性则会降低韧性。本研究表明，CTC处理是一种通过自由体积工程有效调节BMG冲击性能的方法。
引言
块状金属玻璃（BMGs）因其高强度、高弹性极限、优异的断裂韧性和良好的耐腐蚀性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。尽管已有大量研究致力于理解其力学性能和变形机制，但关于其冲击韧性的研究相对较少[7]、[8]、[9]、[10]。与晶体材料不同，BMGs的塑性变形是通过形成高度局部化的剪切带（SBs）来实现的[11]、[12]、[13]。然而，这些剪切带的传播往往不稳定，导致BMGs的拉伸延展性和断裂韧性较低，从而限制了其工程应用[14]、[15]、[16]。研究表明，BMGs及其复合材料的延展性和韧性与其玻璃态的能量状态密切相关[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。此外，包括CTC处理[20]、[24]、喷丸处理[25]和离子辐照[26]、[27]在内的多种加工技术已被用于调整BMGs和BMGCs的力学性能。其中，CTC处理作为一种高效且经济的方法脱颖而出。它通过交替暴露于深低温（77 K）和室温或更高温度来诱导材料结构的再生，增加自由体积和剪切转变区（STZs）的密度，从而显著提高塑性和韧性[24]、[28]、[29]。现有的CTC研究主要集中在其对BMGs准静态压缩塑性或硬度的增强作用上[29]、[30]、[31]、[32]。相比之下，材料在动态冲击载荷下的韧性响应研究较少[30]。冲击韧性对材料的能量状态和局部结构波动非常敏感，其表现通常与准静态条件下的行为不同。这对于BMGs在高速冲击和爆炸防护等极端环境中的可靠应用至关重要[33]。因此，系统研究CTC对BMGs冲击性能的影响不仅填补了当前研究的空白，还具有重要的理论和实际价值。
为了解决这一知识空白，本研究系统地研究了经过CTC处理的(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97.4Er2.6 BMG的冲击性能。研究发现，CTC诱导的结构异质性与冲击韧性之间存在非单调关系：在CTC30条件下冲击韧性达到峰值，而非具有最高自由体积的CTC60状态。这种现象表明，适度的结构异质性有助于耗散冲击能量并抑制裂纹萌生。然而，“过度异质性”可能会促进剪切带的定向传播，从而加速失效过程。这些结果为开发兼具高强度和优异冲击抵抗力的BMGs提供了新的结构设计和实验依据，有助于其在动态和极端环境中的应用。
材料与样品制备
材料与样品制备
采用高纯度元素成分（纯度≥99.9 wt.%）混合物，在高纯度氩气氛围中通过水冷铜坩埚通过磁悬浮感应熔炼制备了(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97.4Er2.6合金锭。随后，利用铜模吸铸法制备了尺寸为3 mm × 10 mm × 70 mm的块状金属玻璃板。CTC处理是通过将样品交替浸入液氮（77 K）中进行的。
CTC处理后的BMG结构
如图1a所示，无论是原始状态还是经过CTC处理的(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97.4Er2.6样品的XRD图谱都只显示宽的漫射峰，没有明显的晶体衍射峰。此外，如图1b所示，XRD图谱中的宽衍射峰随着CTC循环次数的增加而系统性地向低角度偏移。同时，其半高宽（FWHM）先增加，在CTC30条件下达到峰值，然后
结论
本研究通过纳米压痕测试和冲击性能表征系统研究了CTC处理对(Zr
0.6336Cu
0.1452Ni
0.1012Al
0.12)
97.4Er
2.6 BMG的冲击性能和变形机制的影响。
- (1)
热循环显著增加了BMG内的自由体积，表现为松弛焓ΔHrel从铸态的1.52 J/g增加到CTC60状态的3.29 J/g，表明材料的能量状态得到提升。
- (2)
纳米压痕
作者贡献声明
李春燕：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理。傅晓强：数据管理。杨龙鹏：数据管理。蒲永亮：撰写、审稿与编辑。李晓成：撰写、审稿与编辑。赵振祥：撰写初稿、数据管理、概念构思。高家庆：数据管理。苏正瑞：数据管理。寇胜中：撰写、审稿与编辑。赵二祥：撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52261032）、温州基本公共福利科学研究项目（项目编号G2023020）、甘肃省重点研发计划（项目编号24YFGA034）以及甘肃省教育厅青年博士基金（项目编号2024QB-041）的支持。
利益冲突声明
作者声明本手稿的提交不存在利益冲突，且已获得
