室温累积轧制制备致密金属纳米玻璃及其结构和性能研究

Nanoglasses consist of nanometer-sized glassy regions connected by glass/glass interfaces. These "interfaces" between adjacent glassy regions have a reduced atomic density and an enhanced free volume relative to the nanometer-sized glassy regions. Due to their free volume fluctuating on nanoscale, nanoglasses differ structurally and are expected to show different or excellent properties from glassy and nanocrystalline materials (with the same chemical composition). Based on the existence of more amount of free volume in shear bands formed in metallic glasses endured inhomogeneous plastic deformation, we will try a method to fabricate dense metallic nanoglasses. We will perform cumulative room-temperature rolling deformation on metallic glasses to introduce shear bands. Dense metallic nanoglasses can be obtained when enough high density of shear bands with spacing of several tens of nanometers (<50 nm) is introduced into metallic glasses. We will fabricate metallic nanoglasses with stable glass/glass interfaces and study the distribution of free volume as well as the atomic arrangement in these glass/glass interfaces. The mechanical property and thermal stability etc., will be systematically studied and hence the relationship between the microstructure and properties will be analyzed for the dense metallic nanoglasses. The research on nanoglasses will open up new material science areas and hence has significant scientific and technological importance.

纳米玻璃由纳米尺度的玻璃区域和玻璃/玻璃界面组成。与玻璃区域相比，玻璃/玻璃界面区域原子排列更加无序、具有更多自由体积。由于局部增加、在纳米尺度起伏的自由体积，纳米玻璃是一种不同于常规玻璃和纳米晶材料的新型结构材料。本项目基于金属玻璃发生不均匀塑性变形时产生的剪切带上存在更多自由体积，探索完全致密金属纳米玻璃制备技术。将金属玻璃在室温下进行累积轧制变形产生剪切带，当产生的剪切带之间平均间距达到纳米量级（<50 nm）时，即制得完全致密金属纳米玻璃。优化成分和变形参数，制备玻璃/玻璃界面（剪切带）上自由体积稳定的致密金属纳米玻璃。深入分析致密金属纳米玻璃玻璃/玻璃界面上的自由体积分布及其稳定性，描述纳米玻璃的原子排列结构和稳定性。系统研究完全致密金属纳米玻璃的力学、热学等性能，建立纳米玻璃的结构和性能的关系。纳米玻璃的研究将催生纳米玻璃新型材料，开拓材料科学新领域，具有重要的科学和技术意义。

基于金属玻璃发生不均匀塑性变形时产生的剪切带上存在更多的自由体积，本项目探索了通过室温累计轧制变形制备致密金属纳米玻璃的方法。通过该方法，制备出了剪切带平均间距在30 nm量级的Pd基金属纳米玻璃以及剪切带平均间距在100 nm以下的Zr基、Cu基等金属纳米玻璃。对所制备金属纳米玻璃的自由体积研究表明，金属纳米玻璃与铸态样品相比均有所增加。对样品力学性能的研究表明，与相应铸态样品相比，金属纳米玻璃的塑性以及显微硬度得以提高。同时，由于内部存在大量不均匀分布的自由体积（玻璃/玻璃界面），样品的吉布斯自由能提高，这将会导致金属纳米玻璃在热处理以及室温时效处理过程中热稳定降低以及耐腐蚀性的降低。如何在提高纳米玻璃力学性能的前提下改善其热稳定性等不足之处将为广大相关科研工作者们提出一个新的挑战。本项目研究工作表明，通过室温累计轧制变形的方法来制备致密金属纳米玻璃是可行的，这提供了一种制备致密金属纳米这种新型结构材料的新方法。