中科院金属所李毅Acta Mater.：ZrCuNiAl块体金属玻璃的韧性断裂

【引言】

大块金属玻璃（BMGs）表现出非常脆的行为，无拉伸塑性。与其晶体金属对应物不同，其变形通常由位错运动驱动，剪切带是主要的塑性变形模式。BMGs的断口相对平整，类似于结晶金属的解理脆性失效。可以想象，如果能够抑制或完全消除BMGs变形模式的剪切特性，金属玻璃可以通过完全不同的形式变形，预示着BMGs延性性质的表现。有实验表明，当样品尺寸与剪切带的厚度相当时，剪切带可以被有效地抑制，样品具有良好的拉伸塑性、高强度和韧性断裂。然而，只有样品尺寸达到纳米尺寸时才观察到这些。室温下大块样品的均匀变形和韧性断裂很少报导。

【成果简介】

近日，中科院金属所的李毅研究员（通讯作者）团队在Acta Mater.上发表了一篇名为“Ductile fracture in notched bulk metallic glasses”的文章，研究人员通过抑制剪切带，发现Zr基BMGs在拉伸时发生金属状韧性断裂。在没有剪切带的情况下，空穴/孔洞成核，随后孔洞长大和联合主导了初始塑性失效过程，使得BMGs能够出现深凹坑和杯锥状的韧性断裂基本特征。这种韧性断裂只发生在非晶态合金中，不在完全结晶的相应物中。这些研究结果揭示了BMGs隐藏的韧性行为，提供了通过去除剪切带增强BMGs延展性的方法。

【图文导读】

图1 深切口金属玻璃拉伸试样示意图

（a）拉伸试样示意图，切口区域的应力状态可以通过调节d和(或)h来改变

（b）切口尺寸为d/h = 6的典型切口Zr基BMG试样

图2 Zr基BMGs试样的应力应变曲线

（a）室温下未切口样品和具有各种切口尺寸的Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀ BMG试样的应力应变曲线。

（b）断裂强度和拉伸塑性作为d/h的函数。

图3 切口BMG试样在拉伸试验前后的显微组织结构

（a-e）拉伸之前

（f-t）拉伸之后

图4 不同状态下Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀样品的结构和形貌

（a）铸态、退火和全结晶Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10样品的XRD图

（b）TEM图像和退火样品的选区电子衍射

图5 切口BMG拉伸塑性变形示意图

（a-d）变形期间空穴/孔洞形成、生长和联合的示意图，导致杯锥形态

（e-g）拉伸试验后的Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀ BMG的相应形态

图6 归一化平均应力和归一化距离的函数关系

（a）切口和未切口样本最小横截面平面内的归一化平均应力和归一化距离、缺口尺寸的函数

（b）切口尺寸为d/h = 6的缺口试样最小横截面平面内的σ_rr、σ_θθ、σ_zz、σ_m和σ_eff和归一化距离的函数

【小结】

金属玻璃经常沿剪切带表现出“玻璃状”的脆性失效行为。在这项工作中，研究人员将这一观点推翻，并得出无剪切带BMGs的“金属状”韧性断裂结论。