通过多元微合金化技术提高基于ZrCu的大块金属玻璃复合材料的超弹性和延展性

《Materials Science and Engineering: A》：Enhanced Super-elasticity and Ductility in ZrCu-based Bulk Metallic Glass Composites via multi-element microalloying

多元素微合金化调控Zr-Cu-Al非晶基体中B2相形貌及界面应力松弛机制研究，制备出含20 vol% B2球状颗粒的TRIP增韧非晶金属复合材料，实现8%断裂延伸率、1472 MPa抗拉强度及2.9%超弹性恢复率，揭示纳米B2相通过应力诱导马氏体相变激活高密度剪切带及界面协同应力松弛提升塑韧性机制。

　　金属玻璃（Metallic Glasses, MGs）因其独特的无序原子结构，展现出许多传统晶体合金所不具备的优异性能，例如高强韧性、高硬度以及卓越的弹性应变能力。然而，这种无序结构也导致了金属玻璃在室温下的脆性和应变软化问题，成为其在工程应用中的一大挑战。为了解决这些问题，研究者们探索了多种增强材料性能的策略，其中通过引入相变诱导塑性（Transformation-Induced Plasticity, TRIP）效应的金属玻璃复合材料（Bulk Metallic Glass Composites, BMGCs）显示出极大的潜力。

TRIP效应的核心在于材料在受力过程中发生的相变行为，尤其是B2相向B19'相的应力诱导马氏体转变。这一转变不仅能够吸收部分应变能量，还能诱导多个剪切带的形成，从而显著提升材料的延展性和韧性。同时，无定形基体对剪切带的传播具有抑制作用，这有助于实现材料的加工硬化，进而增强其整体的力学性能。近年来，研究者们发现通过在金属玻璃基体中引入B2相，可以有效改善其力学性能，特别是在应力作用下，B2相的转变行为对材料的塑性有重要影响。

在这一背景下，本文提出了一种多元素微合金化策略，旨在优化TRIP效应并提高金属玻璃复合材料的性能。通过在Zr-Cu-Al基合金中同时添加Nb、Co和Sn（每种元素的添加量均小于1原子%），研究团队成功制备出一种直径为半厘米的金属玻璃复合材料，其中包含高密度的B2相球晶（直径在10-50微米之间，体积分数约为20%）。这种多元素微合金化策略不仅能够有效调控B2相的形貌特征，如尺寸、分布和体积分数，还能够在不显著降低玻璃形成能力（Glass-forming Ability, GFA）的前提下，实现对B2相的精细控制。

研究团队通过系统的实验方法对不同Sn含量的合金进行了优化。他们采用电弧熔炼的方式制备了四种合金样品，其中包含Sn含量分别为0、0.25、0.5和0.75原子%的样品。每种合金样品都经过五次熔炼循环以确保成分的均匀性，随后被浇铸成Φ5×50毫米的铜模棒。通过激光共聚焦显微镜（LSCM）和扫描电镜（SEM）的图像分析，团队能够直观地观察到B2相的演变过程，并结合ImageJ软件对B2相的体积分数进行了定量分析。结果显示，随着Sn含量的增加，B2相的尺寸显著减小，分布更加均匀，体积分数也相应提高。这种微结构的优化为实现更强的TRIP效应奠定了基础。

在力学性能方面，优化后的金属玻璃复合材料表现出优异的性能指标。其拉伸断裂应变达到了8%，拉伸强度高达1472 MPa，同时具有显著的拉伸超弹性（2.9%应变）。这些性能的提升归因于多元素微合金化策略所带来的微观结构优化。具体而言，B2相的精细分散使得应力诱导的马氏体转变更加均匀地发生，从而提高了材料的延展性。此外，B2相与无定形基体之间的界面应力松弛机制也起到了关键作用。由于B2相的异质性，其与基体之间的相互作用能够有效缓解局部应力集中，防止裂纹的快速扩展，进而增强材料的整体韧性。

从机制角度来看，多元素微合金化策略通过调控B2相的形貌特征，实现了对TRIP效应的增强。Nb的加入有助于细化B2相并抑制其粗化，Co的引入则降低了B2相的堆垛层错能，从而促进了其在应力作用下的马氏体转变，而Sn的添加不仅提升了无定形基体的玻璃形成能力，还进一步抑制了B2相的粗化。这种协同作用使得B2相能够在无定形基体中均匀分布，从而形成一个具有优异力学性能的复合材料体系。

此外，研究团队还通过实验验证了B2相与无定形基体之间的相互作用对材料性能的影响。在受力过程中，B2相的转变行为受到周围无定形基体的约束，这不仅限制了剪切带的传播，还促进了材料的加工硬化。这种加工硬化机制在一定程度上弥补了金属玻璃固有的脆性问题，使其在室温下的延展性和韧性得到了显著提升。同时，由于B2相的转变具有一定的可逆性，材料在卸载过程中能够实现应力诱导马氏体的恢复，从而表现出良好的超弹性特性。

本文的研究成果不仅为金属玻璃复合材料的设计提供了新的思路，还揭示了多元素微合金化策略在调控微观结构和增强力学性能方面的巨大潜力。通过精确控制元素的添加比例和工艺参数，研究团队成功实现了对B2相的精细调控，进而显著提升了材料的综合性能。这一研究为未来开发高性能金属玻璃复合材料奠定了坚实的理论和实验基础，也为相关领域的研究提供了有价值的参考。

在实际应用中，这种具有优异力学性能的金属玻璃复合材料可以用于制造高性能的结构材料，特别是在需要高强度、高韧性以及良好超弹性的领域。例如，在航空航天、汽车制造以及生物医学工程等高科技行业中，这种材料可能具有广泛的应用前景。通过进一步优化元素的组合和含量，未来有望开发出更多具有特定性能要求的金属玻璃复合材料，以满足不同应用场景的需求。

从更广泛的角度来看，本文的研究也反映了材料科学领域的一个重要趋势：通过微观结构调控来提升材料性能。传统的材料设计往往依赖于单一元素的添加，而这种策略在某些情况下可能无法达到理想的性能平衡。相比之下，多元素微合金化策略能够更全面地调控材料的微观结构，从而实现性能的协同提升。这一策略不仅适用于金属玻璃复合材料，也可能在其他类型的合金材料中发挥重要作用，为材料科学的发展提供了新的方向。

本文的研究方法也具有一定的创新性。通过结合多种实验技术，如激光共聚焦显微镜、扫描电镜以及纳米压痕等，研究团队能够从多个角度对材料的微观结构和力学性能进行系统分析。这种多维度的分析方法不仅有助于揭示材料性能提升的内在机制，还能够为后续的材料设计和优化提供科学依据。同时，研究团队在实验过程中采用了严格的控制条件，如多次熔炼循环和精确的成分控制，这确保了实验结果的可靠性和可重复性。

综上所述，本文通过多元素微合金化策略，成功制备出一种具有优异力学性能的金属玻璃复合材料。这种材料不仅克服了传统金属玻璃的脆性和应变软化问题，还表现出显著的超弹性特性。研究团队的实验方法和分析手段为材料科学领域提供了重要的参考，也为未来开发高性能金属玻璃复合材料奠定了基础。随着材料科学的不断发展，这种基于微观结构调控的策略有望在更多领域得到应用，推动新型高性能材料的研发和产业化进程。