块体非晶合金中的韧脆转变现象与机理研究

块体非晶合金具有高强度和较好断裂韧性的特点使其具备作为高性能金属结构材料的可能，然而与温度有关的韧脆转变现象的存在严重限制其应用前景。申请人拟在前期研究块体非晶合金中韧脆转变现象的基础上，选择三种不同原子团簇类型的Pd、Zr和Fe基块体非晶合金作为模型材料，系统研究环境温度、自由体积含量等因素对其韧脆转变的影响，揭示块体非晶合金中与温度有关的韧脆转变现象的普遍性；通过系统研究温度、自由体积含量和加载应变速率单独\耦合\共同作用对块体非晶合金韧脆转变的影响，建立这些因素与韧脆转变特征量（如剪切转变区（STZ）激活能、体积等）的理论联系；采用实验和分子动力学模拟相结合的方法验证上述理论联系的准确性，描述韧脆转变时的物理图像以明确块体非晶合金中发生韧脆转变的内在机理。该工作对于理解块体非晶合金的韧性和脆性及其相互转变，保障其服役可靠性具有重要意义。

块体非晶合金具有高强度和较好断裂韧性的特点使其具备作为高性能金属结构材料的可能，然而与温度有关的韧脆转变现象的存在严重限制其应用前景,尤其是对于韧脆转变的物理机制等尚缺乏深入了解。项目组以韧性Zr基块体非晶合金为模型材料，系统研究了环境温度、自由体积含量、应变速率等因素对其韧脆转变的影响。结果表明：通过改变自由体积、降低温度、提高应变速率都可以导致非晶合金断裂模式由延性的剪切断裂改变为脆性的正断模式，断裂表面微观特征由由微米尺度的Vein pattern 模式改变为纳米尺度的dimple或者纳米周期性条纹，同时断裂韧性严重降低。提出断裂模式的改变源于临界正应力和剪切应力的竞争，而断裂表面特征的变化与延性的剪切带形成和脆性开裂的竞争过程有关。在耦合剪切模型的框架中基于剪切转变区和拉伸转变区竞争，第一次把影响非晶合金韧脆断裂的三个主要因素自由体积、环境温度和应变速率统一起来，建立了Zr基块体非晶合金的变形机制图，并把该概念延伸到Mg基、Fe基脆性金属玻璃中，该工作能够帮助更好地理解非晶合金的韧脆转变行为。.通过纳米压痕测试和透射电子显微镜下的原位压缩和拉伸、三点弯曲等试验，研究了微、纳米尺度下Zr基非晶、Fe-Sc纳米玻璃等强度、断裂韧性、塑性变形机制等。结果发现直径400纳米的Sc75Fe25 纳米玻璃样品表现出15％的拉伸塑性应变，这种均匀的塑性变形能力是类似尺寸的非晶合金中前所未有的，该塑性变形能力可以归因于它独特的微结构；对Zr基非晶合金微尺度时原位拉伸研究表明不同自由体积状态下非晶试样的屈服强度和变形行为表现出一定规律，越少自由体积含量的试样，屈服强度越高，表现出更明显的脆性，同时加工过程中损伤的试样表现出明显差异的变形行为；原位断裂韧性测试研究表明随试样尺寸减小非晶合金的断裂韧性提高，这种强烈的尺寸效应是由于尺寸的减小导致剪切带形核困难、变形机制发生转变所引起的。以上工作对于理解非晶合金在微尺度时的力学行为、变形机制有重要作用，也能为其在微电子机械中的应用提供指导。 .项目组已经在Applied Physics Letters、Scripta Materialia、Materials Science and Engineering A等国际学术期刊上发表论文9篇，有多篇在准备发表，培养硕士生、博士生多名，研究结果受到了同行的引用和关注。