块体非晶合金的韧塑化-非晶中国

编者按

《块体非晶合金的韧塑化》一文围绕块体非晶合金的韧塑化这个关键科学问题，着重介绍了TRIP韧塑化块体非晶合金复合材料的制备、性能、组织调控及韧塑化机理，并对此领域的未来发展进行了展望。上述工作的第一作者是北京科技大学吴渊，通信作者是北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授。

挑战与新发现

室温脆性与应变软化现象已成为非晶合金的“阿喀琉斯之踵”，其优异的力学性能在实际应用中无法体现出来，限制其作为结构材料的工程性应用，如何实现非晶合金的韧塑化是其在结构材料方面广泛应用所面临的挑战。

研究发现，将“相变诱导塑性” (TRIP)效应引入非晶复合材料中，可以有效地补偿非晶基体的应变软化，获得大的拉伸塑性和加工硬化能力。

韧塑化方法、途径及机理

1、基于内禀特征的塑韧化

①提高泊松比

非晶合金的泊松比(ν)与材料的断裂韧性KIC值成正比关系，研究学者认为泊松比ν >0.31~0.32的非晶合金往往表现出更好的韧塑性。

②引入结构不均匀性

2007年, Liu等开发出了多种具有超大压缩塑性的块体非晶合金。

(a) 室温下S2的真应力应变曲线, 插图为S1和S3对应的真应力应变曲线；
(f) HRTEM图像显示其具有非晶的特性；
(h)而在传统的脆性非晶合金Zr 59.63 Cu 15.75 Ni 14.62 Al 10 中则没有观察到这一结构。

原子力声学显微镜研究表明，PdCuSi非晶合金体系中, 在小于10 nm的尺度下，局部模量呈现出明显的不均匀性。

2、基于外在因素的非晶合金韧塑化

①尺寸效应

当试样尺寸减小到比等价剪切位移还小时，非晶合金的剪切变形便会由非稳态转变为稳态，相应的宏观脆性也会由此转变成宏观塑性。

②应力状态

非晶合金的表面应力状态对其塑性变形行为有显著的影响。研究表明，剪切带倾向于从试样的表面产生，因此，可以通过对非晶合金表面应力状态的改变来提高其塑性变形能力。

③冷却速度

冷却速度对于非晶合金韧塑性的影响主要源于其对非晶合金中的自由体积和试样中的残余应力的影响。实验证实，非晶合金的塑性流变行为与合金中的自由体积密切相关。

3、非晶复合材料

①外加晶体相的块体非晶复合材料

非晶基体和晶体第二相的选择需满足以下几个条件才能制备出具有良好塑性的复合材料：

1) 非晶合金基体具有高非晶形成能力，且熔点与第二相的熔点相适宜；

2)第二相具有很高的稳定性，在非晶合金熔点以上一定范围内不发生相变，且晶粒在渗流铸造过程中的长大要不明显；

3)非晶合金熔体和第二相间要具有良好的润湿性，且不易发生化学反应。

②内生块体非晶复合材料

1)非晶晶化法
适当控制非晶合金的退火工艺条件，可得到尺度在几十纳米到几十微米的第二相均匀弥散在非晶合金基体中的复合结构。

2)原位生成法

通过调整非晶合金成分、控制其冷却速度，使得熔体在冷却过程中直接凝固析出第二相后形成第二相均匀分布在非晶基体中的复合材料。

TRIP韧塑化非晶复合材料

1、TRIP韧塑化非晶复合材料的制备

TRIP韧塑化非晶复合材料的制备需要考虑两方面的因素：

1)非晶基体具有足够的玻璃形成能力，保证亚稳晶体母相为先析出相；

2)亚稳晶体母相在冷却过程中不会发生分解，但在变形过程中会发生相变。

2、TRIP韧塑化非晶复合材料的组织和性能调控

①亚稳晶体相的组织形貌及其对力学性能的影响

在TRIP效应韧塑化非晶合金复合材料中，晶体相的性能对复合材料的力学行为有着重要的影响。

已有研究证明，只有当非晶基体中的晶体相为单一的亚稳晶体母相时，复合材料具有最优的力学性能。

②亚稳晶体相的相变能力及其对力学性能的影响

TRIP韧塑化非晶复合材料在变形过程中发生的马氏体相变对其获得优异的宏观力学性能至关重要。亚稳晶体相的马氏体相变能力对其塑性和加工硬化能力的提高起到关键作用。

3、大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料的研究和制备

通过异质形核思想制备大尺寸TRIP韧塑化非晶复合材料的设计思路：

(a)通过添加合适的合金化元素，提高非晶基体玻璃形成能力，使合金液体具有良好的过冷能力；
(b)随着温度的降低，合金化元素与主元素形成高熔点金属间化合物析出；
(c)随着冷却的进一步进行，高熔点金属间化合物作为异质形核核心，促进亚稳晶体母相的均匀弥散析出；
(d)剩余熔融液体凝固形成非晶基体。

4、TRIP韧塑化非晶复合材料的形变与相变机理

①TRIP韧塑化非晶复合材料的韧塑化机理

TRIP韧塑化非晶复合材料的韧塑化机理来自多个方面，首先是晶体相对剪切带的限制作用(blocking effect)。

除“blocking effect”外，TRIP韧塑化非晶复合材料整体性能还得到亚稳晶态母相马氏体相变的贡献。

②TRIP韧塑化非晶复合材料中的相变特点和机理

TRIP韧塑化非晶复合材料中的马氏体相变表现为限制性马氏体相变的特点。

虽然不同取向的晶粒表现出很强的各向异性，但不同试样发生马氏体相变的临界晶格应变是相同的。