非晶內(nèi)生 -Ti復(fù)合材料因具有較大的臨界形成尺寸、優(yōu)異的力學(xué)性能和釋能特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。如何針對應(yīng)用目標(biāo)實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的有效調(diào)控是其難點(diǎn)。
中國科學(xué)院金屬研究所張龍副研究員、張海峰研究員等多年來在非晶內(nèi)生 -Ti復(fù)合材料的形成理論、微觀組織調(diào)控、力學(xué)行為等研究方面取得了重要進(jìn)展。建立了該類非晶內(nèi)生復(fù)合材料的“兩相準(zhǔn)平衡凝固理論”（Sci. Rep. 6 (2016) 19235），為調(diào)控這類非晶內(nèi)生復(fù)合材料的微觀組織提供了理論基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)凝固過程中過冷熔體對內(nèi)生亞穩(wěn) -Ti相的負(fù)熵穩(wěn)定效應(yīng)，亞穩(wěn) 相向 相的轉(zhuǎn)變被抑制而傾向在內(nèi)部析出 相（Scripta Mater. 125 (2016) 19）。發(fā)現(xiàn)等溫 相析出可以顯著提高內(nèi)生 相的硬度和模量，并對非晶內(nèi)生復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響（Mater. Des. 133 (2017) 82）。基于“兩相準(zhǔn)平衡凝固理論”解釋了Be元素傾向幾乎完全固溶于非晶基體的原因（J. Mater. Sci. Technol. 33 (2017) 708）。“兩相準(zhǔn)平衡凝固理論”也為精確調(diào)控內(nèi)生 相的（亞）穩(wěn)定性提供了基礎(chǔ)，在同一合金系把穩(wěn)定的 相調(diào)控為能夠發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變的亞穩(wěn) 相（Mater. Sci. Eng. A 689 (2017) 404），并開發(fā)了內(nèi)生 相具有典型的3種不同（亞）穩(wěn)定性的非晶復(fù)合材料（J. Alloy. Compd. 708 (2017) 972）。在調(diào)控 -Ti相穩(wěn)定性時(shí)，發(fā)現(xiàn)成分為Ti59.1Zr37Cu2.3Fe1.6鑄態(tài)多晶合金的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)非晶相，基于非晶相的存在方式、分布特征和物理性質(zhì)，提出了馬氏體相變致固態(tài)非晶化機(jī)制以及“非晶馬氏體”的概念（Nat. Commun. 9 (2018) 506）?；凇皟上鄿?zhǔn)平衡凝固理論”提出了從單相Ti基（或Zr基）非晶合金來開發(fā)非晶內(nèi)生 -Ti(或 -Zr)復(fù)合材料的方法——“迭代法”（J. Alloy. Compd. 740 (2018) 639）。發(fā)現(xiàn)非晶復(fù)合材料的拉伸屈服強(qiáng)度對內(nèi)生 相的亞穩(wěn)定性非常敏感，基于Eshelby分析法將屈服強(qiáng)度與內(nèi)生b相亞穩(wěn)定性進(jìn)行了關(guān)聯(lián)（Scripta Mater. 173 (2019) 11）。系統(tǒng)研究了內(nèi)生 相的尺寸大小、相穩(wěn)定性、體積分?jǐn)?shù)對非晶復(fù)合材料拉伸性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了兼具高形成能力、高屈服強(qiáng)度、較大拉伸塑性、超彈性和加工硬化能力的系列非晶內(nèi)生復(fù)合材料（Acta Mater. 168 (2019) 24）。
近日，張龍副研究員（第一作者）、中科院物理所孫保安研究員、碩士生顏廷毅、張海峰研究員（通訊作者）與國外合作者R.L. Narayan博士、U. Ramamurty教授和J. Eckert教授合作研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)非晶內(nèi)生復(fù)合材料中 -Ti相具有臨界的亞穩(wěn)定性時(shí)（即在拉伸載荷作用下內(nèi)生 相既不能保持穩(wěn)定也不會轉(zhuǎn)變?yōu)?'或 ＂馬氏體相），則非晶內(nèi)生復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上會出現(xiàn)明顯的鋸齒流變行為，見圖1。這與之前報(bào)道的非晶內(nèi)生復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為明顯不同，而是類似于單相非晶合金在壓縮載荷作用下的鋸齒流變行為，并且該非晶內(nèi)生復(fù)合材料在拉伸中的鋸齒大小累積分布也服從類似的冪律分布規(guī)律。該非晶內(nèi)生復(fù)合材料呈現(xiàn)剪切破壞模式，拉伸破壞后的微觀組織中變形帶同時(shí)貫穿了 -Ti枝晶和局域非晶基體，見圖2。 -Ti枝晶中的變形帶主要由 -Ti相組成，厚度約為10nm，表明亞穩(wěn) 相在變形過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榱?相。非晶內(nèi)生復(fù)合材料的鋸齒行為起源于這種新的塑性變形機(jī)制：非晶基體中剪切帶與亞穩(wěn) -Ti枝晶中 -Ti帶的協(xié)同剪切機(jī)制。剪切帶與 -Ti帶的協(xié)同剪切可以在單個(gè)枝晶的局域范圍（數(shù)十微米）內(nèi)引發(fā)剪切失穩(wěn)，但協(xié)同剪切變形帶會被周圍不同晶體取向的 -Ti枝晶所抑制。剪切帶/ -Ti帶的協(xié)同剪切不斷被激發(fā)和抑制導(dǎo)致了非晶內(nèi)生復(fù)合材料出現(xiàn)了拉伸鋸齒行為。 帶的產(chǎn)生與協(xié)同剪切過程的高應(yīng)變速率（可高達(dá)～103 s-1）有關(guān)，高應(yīng)變速率激發(fā)1/2<111> 全位錯(cuò)，由于 相的自由能相對于亞穩(wěn) 相更低，全位錯(cuò)分解為兩個(gè)1/12<111> 和一個(gè)1/3<111> 不全位錯(cuò)，實(shí)現(xiàn) 相到 相轉(zhuǎn)變，見圖3。這種協(xié)同剪切機(jī)制與內(nèi)生 相的亞穩(wěn)定性密切相關(guān)。剪切帶與 帶協(xié)同剪切機(jī)制的發(fā)現(xiàn)不僅豐富了非晶復(fù)合材料的變形機(jī)制，也為開發(fā)兼具拉伸塑性和剪切破壞方式的高釋能非晶內(nèi)生復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ)。該工作近日以“非晶內(nèi)生亞穩(wěn) -Ti復(fù)合材料中的協(xié)同剪切（Cooperative Shear in Bulk Metallic Glass Composites Containing Metastable -Ti Dendrites）”為題發(fā)表在Physical Review Letters 125 (2020) 055501上。該研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“興遼英才計(jì)劃”等項(xiàng)目的支持。
圖1：非晶內(nèi)生亞穩(wěn) -Ti復(fù)合材料的微觀組織和拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2：拉伸破壞后樣品的微觀組織，可見協(xié)同剪切的變形帶貫穿枝晶與非晶基體
圖3： 到 的相轉(zhuǎn)變以及非晶內(nèi)生復(fù)合材料中剪切帶與 -Ti帶的協(xié)同剪切機(jī)制
