北科吕昭平Nature子刊：新型合金设计方法，显著提高大块金属玻璃塑性！

2021-12-20 16:54:58 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

在块状金属玻璃（BMGs）中引入更松散的原子堆积区域，可以促进塑性变形，使BMGs在室温下更具延展性。在此，来自北京科技大学的吕昭平等研究者，提出了一种不同的合金设计方法，即掺杂非金属元素形成密集的填充图案。相关论文以题为“Substantially enhanced plasticity of bulk metallic glasses by densifying local atomic packing”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26858-9

块状非晶玻璃从液态继承了无序的非晶结构。由于缺乏作为低势垒变形载体的晶体缺陷，如位错和堆垛缺陷，BMGs通常比它们的晶体对应物更强、更硬。然而，BMGs合金在室温下拉伸塑性极低，在载荷作用下往往发生灾难性破坏，严重阻碍了其广泛应用。与晶体相不同的是，BMGs的无序原子堆积不易定量描述，只有有限的方法来调整它们的结构-性能关系。因此，调整BMGs的力学性能以克服其室温脆性，一直是一个长期存在的挑战。

在远低于玻璃化转变温度的BMGs中，塑性变形主要是由于局部扩散跃迁或被称为剪切转变区（shear transformation zone, STZs）的原子团簇的局部共同剪切事件，即一组原子共同克服了局部原子重排的能量势垒鞍点。变形能力源于金属键合所固有的灵活性：离域电子允许金属原子在彼此之间滑动而不受键合断裂的影响，而键合断裂有利于损伤而非剪切，例如在离子玻璃中。尽管局部剪切转变开始的位置仍然难以预测，但人们普遍认为，在BMGs中引入更松散的填充区域，可以有效地促进局部塑性事件。这些区域具有较高的局部势能，在加载时容易发生非弹性变形，表现为类液体行为。因此，增加松散填充区域的数量，可以有效地提高BMGs的塑性。

这种材料设计路线，通过低温热循环或严重塑性变形等方法提高了BMGs的塑性，这些方法通常通过增加密度较低区域的可用性来增强结构波动。然而，目前大多数提高GMGSD塑性的方法，通常会由于引入更松散的填充区域而降低热稳定性和屈服强度。相比之下，松散填充区域的湮没通常被认为可以提高强度和硬度，并改善热稳定性，但往往会恶化塑性，正如BMGs中退火诱发的脆化所证明的那样。

在这里，研究者报告了一个新的设计概念，以改善BMGs的变形能力。研究者通过掺杂非金属元素（NMEs）来增加BMG的结构波动，这些元素具有较小的原子尺寸和与组成BMG的元素的混合负热。研究者选择的候选元素是氧、氮、碳和硼，分别添加到Ti-、Zr-和Cu基BMGs中，同时，确定了特别合适的掺杂体系（范围从0.1%到0.3%），因此，研究者观察到强度和延展性的显著提高。这可以归因于在非金属溶质周围形成的局部致密堆积区域（LDPRs）体积分数的增加，同时避免了脆性二次相的形成。这些LDPRs的邻近区域变得相对松散，从而增强了材料的结构波动，促进了局部剪切，极大地提高了材料的宏观塑性和韧性，并增强了强度。在热力学的指导下，根据与这些掺杂剂相关的适当的负混合热，该方法原则上是通用的，可以用于广泛改善MGs性能。

图1 基底与掺杂ZrTiHfCuNi BMGs材料的力学行为。

图2 基合金纳米压痕探针τmax的相对频率分布。

图3 研究了基合金和O0.2、B0.2、O0.3掺杂合金的低温比热容实验数据。

图4 低温下BMGs中γ弛豫的研究。

图5 基合金和O掺杂合金的局部原子堆积和剪切响应的MD模拟。

图6 增强BMGs结构异质性的两种方法示意图。

综上所述，目前的研究结果表明了如何通过不同的设计概念成功地克服BMGs的室温脆性。这是通过形成塑料顺应区，形成周围的密集填充团簇包含间隙掺杂剂。在这种方法中，小的间隙原子被称为“簇形成者”，因为它们体积小，热力学上的考虑，以及它们部分的共价键贡献。由此产生的结构不均一性的增加被证明是大幅度提高BMGs塑性的有效方法，在没有损失的情况下，而是在强度上增加。因此，适当掺杂氧、硼、碳、氮等NMEs，可以同时提高塑性、强度、热稳定性，甚至增强GFA。这种组合在玻璃成型、可塑性、强度和成本之间取得了良好的平衡，为符合塑料和耐损伤的BMGs开辟了全新的合成、加工和应用范围。

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