亚稳β-型非晶内生复合材料的形成机理及力学行为研究

During plastic deformation of Ti/Zr-based metallic glass composites containing in-situ formed β-Ti/Zr phases (β-type BMGCs), the work-hardening capability caused by the entanglement and pile up of dislocations in structural stable β phases is relatively poor, which finally results in the drawbacks of tensile work-softening and necking of β-type BMGCs. This project is aimed to improve mechanical properties of β-type BMGCs by tailoring the structural (meta-)stabilities of in-situ formed β phases. The influence of tailoring alloy compositions on structural (meta-)stabilities of β phases and simultaneously on the glass-forming ability of the glassy matriices will be studied; The deformation mechanisms and mechanical properties of β-type BMGCs containing β phases with various structural (meta-)stabilities will be also studied, and the fundamental relationships among “Structural (meta-)stabilities of β phases--deformation mechanisms--mechanical properties of β-type BMGCs” will also be established; The morphologies, volume fractions, structural (meta-)stabilities of β phases as well as the glass-forming ability of the matrices will be controlled collectively, and β-type BMGCs with excellent combined properites, including a critical casting diameter > 30 mm, a tensile plastic strain > 8%, a tensile work-hardening rate > 3000 MPa, and a fracture toughness > 180 MPam1/2, will be obtained.

Ti/Zr-基非晶合金内生β-Ti/Zr相复合材料（β-型非晶内生复合材料）在塑性变形过程中，结构稳定的β相通过位错纠缠和塞积导致的硬化能力较弱，使得这类非晶复合材料通常表现出拉伸加工软化和颈缩的缺点。本项目提出通过调控β相结构（亚）稳定性来改善β-型非晶内生复合材料的力学性能。研究合金成分调整对β相结构（亚）稳定性以及同时对非晶基体玻璃形成能力的影响规律；研究具有不同β相结构（亚）稳定性时，β-型非晶内生复合材料的变形机制和力学性能，建立“β相结构（亚）稳定性—变形机制—复合材料力学性能”之间的关系；统一调控内生β相的形貌、体积分数、结构亚稳定性和非晶基体玻璃形成能力，获得综合性能优异的β-型非晶内生复合材料，包括基体玻璃形成临界直径>30mm，拉伸塑性>8%，拉伸加工硬化率>3000MPa，以及断裂韧度>180MPam1/2。

系统研究了5个合金系16个合金成分的组织结构和热力学性质，阐明了合金成分变化对β相结构（亚）稳定性和非晶基体玻璃形成能力的影响规律。提出了从单相非晶合金出发来开发非晶内生亚稳β-Ti复合材料的“迭代法”。“迭代法”具有两个明显的优点：(1)内生β相更容易是亚稳相，便于引入形变诱发相变；(2)非晶基体具有高玻璃形成能力，易于获得大尺寸非晶内生复合材料。此外，我们在Ti59.1Zr37Cr2.3Fe1.6合金亚稳β-Ti晶粒内部发现非晶相，根据非晶相的存在方式、分布形态、热力学性质，提出了一种新的固态非晶化机制：“马氏体非晶化”机制。基于该新型固态非晶化机制发现了一类大尺寸新型微观组织结构（晶内非晶相）的非晶复合材料。. 系统研究了不同β-Ti相亚稳定性对非晶复合材料拉伸力学性能的影响，并将亚稳定性与非晶内生复合材料的屈服强度进行了关联。系统研究了内生β-Ti相不同尺寸大小、相稳定性、体积分数对非晶复合材料力学性能的影响机理：发现了内生β-Ti相较大的尺寸、适当的亚稳定性（可以发生形变诱发相变但稳定性较高）、较低的体积分数可以导致优异的力学性能。建立了“β相结构（亚）稳定性→变形机制→力学性能”之间的关系。此外，我们在内生β-T具有临界亚稳定性非晶复合材料中发现了一种新的塑性变形机制：非晶基体中剪切带与枝晶中ω-Ti带的协同剪切机制，基于该机制开发了兼具拉伸塑性和剪切破坏模式的高释能非晶内生复合材料。. 在上述研究结论基础上，我们成功制备出了综合性能优异的大尺寸亚稳β-型非晶内生复合材料，包括Ti41.8Zr33.5Cu6.9Co1.2Be16.6，Ti46.6Zr33.7Cu5.9Co1Be12.8，Ti45.7Zr35Nb1Cu5.8Be12.5和Ti44.3Zr35.9Cu6.2Be13.6等。这些非晶复合材料的基体玻璃形成临界直径大于30 mm、拉伸塑性优于8%、拉伸加工硬化率(dσ/dε)高于3000 MPa。这些综合性能优异的大尺寸非晶内生亚稳β-Ti复合材料促进了其在国防先进武器装备、消费电子器件等领域的应用。