快速凝固Zr基合金中玻璃-晶相演变规律及其对力学性能的调控机制

针对Zr基非晶合金室温脆性大、缺乏加工硬化能力的问题，研究人员通过调控Zr49Cu51-xAlx(x=5,7,10)合金成分，采用水冷铜模快速凝固技术制备非晶复合材料，发现内生B2-ZrCu和B19'-ZrCu相可显著提升压缩强度（最高达1865 MPa）与拉伸强度（1395 MPa），为开发兼具高强度与塑性的非晶复合材料提供新思路。

　　

在材料科学领域，非晶合金因其独特的原子无序排列结构被誉为"金属玻璃"，这种结构赋予其接近理论值的超高强度。然而，这类材料在室温下会像玻璃一样突然断裂——当你在手机上不小心摔碎过钢化玻璃膜，就能理解非晶合金面临的困境：它们缺乏传统金属的塑性变形能力。更棘手的是，这种脆性在拉伸条件下尤为明显，就像试图拉断一根橡皮筋却直接碎成两截。

这种"脆性魔咒"源自非晶合金变形的特殊机制。当外力作用时，变形会集中在纳米尺度的剪切带（shear band）中，这些区域就像材料内部的"滑梯"，一旦形成就会引发连锁反应，导致材料瞬间断裂。有趣的是，科学家们发现某些非晶合金在压缩时反而能表现出"超塑性"，这种"能压不能拉"的特性被称作拉伸-压缩不对称性（tensile-compressive asymmetry）。

为了破解这一难题，陕西科技大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，他们像调制鸡尾酒般精确调配锆（Zr）、铜（Cu）、铝（Al）的比例，通过水冷铜模快速凝固技术制备了三种不同成分的合金棒材。这种技术就像让熔融金属"瞬间冷冻"，能捕获常规冷却无法获得的特殊结构。研究人员重点关注内生晶体相如何像"钢筋"般强化非晶基体，从而创造出既强又韧的新型复合材料。

研究采用X射线衍射（XRD）分析相组成，通过扫描电镜（SEM）观察微观结构，结合纳米压痕技术绘制硬度分布图，并系统测试了拉伸/压缩力学性能。特别关注了直径5毫米棒材的径向结构演变，这对实际工程应用至关重要。

【相组成与微观结构特征】
XRD分析显示，Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀形成完全非晶结构，而调整Al/Cu比例后出现戏剧性变化：Zr₄₉Cu₄₄Al₇中球形B2-ZrCu相像珍珠般镶嵌在非晶基体中，同时存在B19'-ZrCu相；Zr₄₉Cu₄₆Al₅则形成棒状B19'-ZrCu初生相。这种相选择规律表明，降低Al含量会促进高硬度B19'相形成。

【力学性能突破】
完全非晶的Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀展现出最显著的拉伸-压缩不对称性（抗拉410 MPa vs 抗压1608 MPa）。而含7%Al的合金创造了抗压强度纪录（1865 MPa），其屈服强度也高达1596 MPa，这归功于B2-ZrCu相的马氏体相变（transformation-induced plasticity）效应。令人惊喜的是，含5%Al的合金抗拉强度提升至1395 MPa，证明棒状B19'相能有效阻碍剪切带扩展。

【纳米尺度性能图谱】
纳米压痕发现非晶区域硬度从边缘到中心递增，反映冷却速率梯度。更有趣的是，非晶/晶体复合区域的硬度超过纯非晶或纯晶体，这种"1+1>2"的协同效应为材料设计提供新思路。弹性模量则像"指纹"一样敏感反映初生相类型，B2相区域表现出更优的弹性恢复能力。

这项研究首次系统揭示了Zr-Cu-Al合金中Al含量如何像"结构开关"般调控相组成：高Al促进非晶形成，适度Al含量诱导B2相析出，低Al则稳定B19'相。更重要的是，发现B2-ZrCu相通过相变增韧机制可同时提高强度和塑性，而B19'相则更利于提升刚度。这些发现为设计具有定制化力学性能的非晶复合材料提供了精确的"成分-结构-性能"关系图谱，在精密仪器轴承、航天紧固件等领域具有重要应用价值。研究还证实快速凝固技术能实现毫米级非晶复合材料制备，突破了传统非晶合金的尺寸限制，为工程应用铺平道路。