影响块体金属玻璃断裂韧性的因素

尽管块体金属玻璃（BMG）具有高弹性极限、高强度、耐腐蚀等优异性能，但局域剪切带控制的形变机制决定了其在无约束条件下几乎没有宏观塑性变形的能力，被认为是一类"准脆性"材料。因此，BMG的断裂韧性将成为其工程应用所依据的重要指标。BMG的断裂韧性处于较宽的范围，既取决于合金成分，也取决于所经历的热历史。然而，由于受到合金玻璃形成能力（GFA）的制约，对于BMG断裂韧性的评价以及影响因素的研究仅限于少数合金，缺乏对其本征规律的认知。本项目的研究内容包括：（一）在锆、铜、铪基合金体系中，通过元素选择和合金成分优化获得具有高断裂韧性和较高GFA（棒材直径大于6mm）的新合金。（二）在高断裂韧性的代表性合金中获得R曲线，用应变能释放速率J值评价断裂韧性，解决采用K值评价断裂韧性无法在试样厚度上满足平面应变要求的问题。（三）BMG在I型与II型或III型混合载荷模式下的断裂行为及断裂韧性的变化。

本项目针对影响块体金属玻璃（BMGs）断裂韧性的因素开展了研究，在以下几个方面取得进展：（一）提出利用玻璃转变温度作为指示参数确定具有高延展性（malleability）的BMG。（二）在Zr-Ti-Cu-Al合金系中发现了具有高断裂韧性的Zr61Ti2Cu25Al12（ZT1）BMG并揭示了裂纹扩展阻力的机理。ZT1 BMG的断裂韧性（KJIC）可达到130 MPam，裂纹稳态生长的断裂韧性KJ达到230 MPam，裂纹尖端的塑性区尺寸可达到1.7mm。与其他工程金属材料相比较，该BMG实现了最佳的高强度（σy=1600 MPa）与高韧性匹配。（三）揭示了高损伤容限ZT1 BMG的疲劳断裂机制，其疲劳极限（a）可达到到440 MPa, 约为其拉伸强度y的0.27，高于现有的其它BMG，ZT1的疲劳门槛值Kth为2.8 MPam。（四）揭示了BMG形成的冷却速率及其冻结过剩体积对其断裂韧性的影响规律，快冷下的BMG在裂纹尖端更易于形成多重剪切带，塑性区尺寸十倍于慢冷速BMG。（五）揭示了镁基BMG中的铸造缺陷和试样几何尺寸对压缩断裂强度和缺口韧性的影响。（六）设计出内生B2结构AgMg相枝晶的镁基BMG复合结构并揭示出其增韧作用。