铁基块体金属玻璃的强韧化及其与微结构内在联系的研究

Fe-based bulk metallic glasses (BMGs) usually exhibit ultra-high strength, low material cost, excellent soft magnetic properties as well as strong corrosion-resistant performance, allowing them to be a family of potential structural and functional materials. The room temperature brittleness, however, has strictly limited the further development and application of these materials. Through a systematic comparison of the chemical bond characteristics of the two series (i.e., FePC- and FeBSi-) Fe-based BMGs, this project would help to in-depth understand the intrinsic brittle/ductile problems of Fe-based BMGs. Afterwards, based on our super large plasticity of FePC-based BMG (above 30%), the inter-link among chemical bond characteristics，elastic properties and the room-temperature plasticity is investigated by studying the microstructure, thermal stability, elastic properties and plastic flow characteristic. Investigate the necessary conditions of shear deformation and shear fracture occurred. Based on this, a detailed investigation on the bending behavior, and the influences of glass transition, elastic properties, crack tip plastic zone on the notch toughness of FePC-type BMGs will be studied. It is expected that a correlation between microscopic fracture surface morphology and macroscopic fracture toughness will be built. This work will provide theoretical as well as experimental insights into developing Fe-based BMGs with superior properties.

Fe基块体金属玻璃具有高强度，低成本以及良好的软磁性能和耐蚀性能，在工程结构材料和功能材料领域均呈现广阔的应用前景。然而，该类材料室温脆性严重，极大地限制了该合金的发展和实际应用。本项目从Fe基金属玻璃形成组元的特点出发，通过对比研究Fe(P,C)系和Fe(B,Si)系两类金属玻璃的化学键特性，深入认识铁基块体金属玻璃本征脆性/韧性的问题。并基于新近研制的室温超大塑性Fe(P,C)系块体金属玻璃（30%以上）的微结构，热稳定性，弹性性能及室温形变与断裂行为的研究，揭示其化学键特性、弹性性能与室温塑韧性的内在联系。探讨诱导Fe基块体金属玻璃发生纯剪切变形和剪切断裂的必要条件。在此基础上系统研究合金的玻璃转变温度、弹性性能、裂纹尖端塑性变形区的特征等对合金断裂韧性的影响规律；建立Fe基块体金属玻璃断面微观结构特征与宏观断裂韧性的关联。为Fe基块体金属玻璃的强韧化提供必要的理论基础和实验依据。

Fe 基块体金属玻璃具有高强度，低成本以及良好的软磁性能和耐蚀性能，在工程结构材料和功能材料领域均呈现广阔的应用前景。然而，该类材料室温脆性严重，极大地限制了该合金的发展和实际应用。本项目从Fe 基金属玻璃形成组元的特点出发，通过对FeP、FeC、FeB系金属玻璃的形成能力、热学行为、弹性性能及室温力学性能的系统研究，深入认识了Fe基块体金属玻璃本征脆性/韧性的问题。研究主要发现：（1）根据Fe基块体金属玻璃其金属—类金属形成特点可合理的分为FeB系、FeP系和FeC系三类金属玻璃，统计规律表明，FeC系具有最高的玻璃形成能力，FeB系次之，FeP系较低。（2）研究发现FeP系金属玻璃具有较低的玻璃转变温度和剪切模量，意味着其具有较低的剪切能垒，这对发展韧性Fe基金属玻璃提供了可借鉴的思路。（3）在FeP系金属玻璃基础上，通过调控Ni含量，成功研制了具有较低玻璃转变温度的Fe62Ni18P13C7块体金属玻璃。该合金工程应变超过50%，实现了Fe基金属玻璃室温超大塑性。（4）在Fe基块体金属玻璃中引入与主元Fe呈正混合热的Cu，诱导生成多尺度Fe基块体金属玻璃基复合材料，为发展高强韧大尺度的Fe基金属玻璃基复合材料提供了可能。（5）通过B微合金化，研究了FeMoPC系合金的玻璃转变温度、玻璃转变激活能、热膨胀系数、粘度、脆度m值等。结果表明，合金具有较低的玻璃转变温度，较低的表观玻璃转变激活能，其室温压缩塑性较好，建立Fe基金属玻璃热学特性与变形行为之间的联系。同时发现，合金在玻璃转变前后粘度离散越大，脆度m值越小，其玻璃形成能力越好。以上结果，为Fe 基块体金属玻璃的强韧化提供必要的理论基础和实验依据。