晶界取向调控对网络结构金属玻璃复合材料强化机制的影响研究

为解决金属玻璃(MGs)因剪切带(SBs)局部化导致的脆性失效问题，研究人员通过有限元分析(FEM)系统研究了网络结构金属玻璃复合材料(NMGCs)中晶界取向对强化机制的影响。研究发现，与随机取向晶界相比，特定取向排列的晶界可通过协同调控剪切带萌生和扩展路径显著提升材料强度，为开发高强高韧金属玻璃体系提供了晶界工程新思路。

　　

金属玻璃材料因其独特的非晶结构展现出优异的力学性能，但致命的剪切带局部化变形往往导致突发性断裂，这一"脆性魔咒"严重制约了其工程应用。传统通过引入第二相颗粒或纤维的复合化策略虽能改善塑性，但效果有限且机制不明。近年来，具有类多晶结构的网络结构金属玻璃复合材料(NMGCs)和纳米玻璃(NG)崭露头角——这类材料由纳米/微米级玻璃晶粒通过富含自由体积(FV)的玻璃-玻璃界面(GGIs)连接而成，其变形行为与晶界取向的关联性成为突破性能瓶颈的新靶点。

北京科技大学新材料技术研究院的研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表的研究中，首次系统揭示了晶界取向对NMGCs强化机制的调控规律。研究人员采用有限元分析(FEM)技术，构建了Voronoi和蜂窝两种典型网络结构模型，通过调控晶界自由体积密度(ρ_GB)、晶界宽度(W)和晶粒尺寸(D)等参数，结合取向因子量化分析了不同加载条件下的力学响应。关键技术包括：建立包含取向变量的本构模型；开发多尺度网络结构参数化建模方法；实施考虑局部剪切敏感性的边界条件设定。

晶界取向的强化效应
通过对比不同ρ_GB(0.01-0.10)和W(1-5nm)的应力-应变曲线发现，偏离临界分切应力的特定取向晶界可使材料强度提升20%以上。当ρ_GB=0.05时，Voronoi结构的屈服强度较均质MG提高35%，证实取向调控的有效性。

协同作用机制
研究揭示双重协同机制：1)取向晶界作为优选位点诱导剪切带非随机成核；2)网络结构通过几何约束引导剪切带沿预设路径扩展。这种"定向引发-可控传播"模式有效分散了应变能。

尺寸效应规律
当晶粒尺寸D从50nm减小至20nm时，取向效应增强但出现临界转变：D<25nm时晶界主导变形，ρ_GB=0.01的"硬边界"样品强度最高；D>30nm时晶内变形占比增大，需优化取向/尺寸匹配度。

结构设计准则
蜂窝结构因高度有序取向展现出更优性能，其最佳参数组合为W=3nm、ρ_GB=0.05、D=30nm，此时强度-塑性协同提升40%。

该研究首次建立晶界取向-力学性能的定量关系，突破传统复合材料的随机强化范式。Yongwei Wang和Guangping Zheng等提出的"网络结构设计"理念，为开发新一代高强韧金属玻璃材料指明方向：通过电化学沉积等工艺调控GGIs取向，可低成本制备性能可编程的NMGCs。这项工作不仅深化了对非晶材料变形物理的认识，更为航天、生物医学等领域的精密部件材料选择提供了新方案。正如Mo Li在讨论部分强调的，这种取向工程策略可拓展至其他非晶体系，为破解非晶材料的"强度-塑性倒置"难题开辟新路径。