基于铁的金属玻璃中剪切带形成与解理裂纹扩展之间的竞争与相互作用

《Journal of Materials Science & Technology》：Competition and interaction between shear-banding and cleavage-cracking in an Fe-based metallic glass

　　

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  本文研究了金属玻璃中共同存在的剪切带和裂纹的演化过程。
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  揭示了剪切带形成与裂纹扩展之间的竞争和相互作用机制。
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  更稳定的裂纹扩展有助于抑制较小尺寸Fe-MG材料的脆性断裂倾向。
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  对缺陷诱导的裂纹起始机制有了更深入的理解。

引言

金属玻璃（MGs）不含有位错等晶体缺陷，因此表现出优异的性能，包括高强度、高硬度以及良好的耐腐蚀性和耐磨性[[1], [2], [3], [4], [5]]。得益于这些特性，MGs在航空航天和国防工业中具有巨大的应用潜力[[6], [7], [8], [9]]。然而，高强MGs（如基于Fe和Co的MGs）通常具有良好的韧性较低，这使得它们对外部缺陷非常敏感，容易发生脆性断裂[[10], [11], [12], [13], [14]]。

高强MGs脆性的主要原因是其容易发生裂纹扩展[[15,16]]。在压缩作用下，高强MGs通常会发生灾难性的断裂，这是由裂纹的起始、扩展和连接所驱动的[[17], [18], [19]]。然而，当样品尺寸足够小时，高强MGs也可以通过剪切带变形，表现出强烈的尺寸依赖性的变形和断裂行为[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。对于以剪切带为主的韧性MGs来说，样品尺寸减小后塑性的提高主要归因于剪切带扩展稳定性的提高[[24,44,47]]。相比之下，以裂纹扩展为主的脆性高强MGs的尺寸效应主要与样品中缺陷密度的降低有关。样品尺寸影响缺陷的数量和分布，从而改变裂纹的起始，最终导致韧性与脆性的转变（DBT）[[28,29]]。这种失效模式的转变如图1所示。

尽管剪切带行为已得到广泛研究[[30], [31], [32], [33], [34]]，但由于裂纹一旦开始扩展，失效过程迅速发生，因此裂纹扩展的机制仍然知之甚少。此外，减少高强MGs脆性的关键在于理解剪切带形成与裂纹扩展之间的竞争。因此，有必要研究在DBT临界范围内剪切带形成与裂纹扩展共存的情况（见图1）。

在本研究中，选择了一种高强Fe基金属玻璃（Fe-MG）作为模型材料，通过改变样品尺寸来调节断裂模式，从而能够清楚地观察到DBT附近剪切带形成与裂纹扩展的共存现象。揭示了剪切带形成与裂纹扩展之间的相互作用机制。裂纹的起始通过有限元分析（FEA）进行了研究。此外，还提出了一个模型来评估裂纹扩展的稳定性。

章节摘要

实验和模拟方法

选择了组成Fe₆₈Mo₅Ni₅Cr₂P_12.5C₅B_2.5（按原子百分比计）的Fe-MG作为研究对象，因为据报道它具有较好的缺口韧性（约44.2 MPa m^1/2原位

不同尺寸Fe-MG样品的压缩行为

分别对直径为1毫米和2毫米的Fe-MG样品进行了单轴压缩试验。下面将展示不同尺寸Fe-MG样品的压缩变形和断裂结果。

压缩下剪切带和裂纹的演化

与传统的脆性高强MGs相比，1毫米的Fe-MG样品表现出不同的变形行为，其中剪切带形成和裂纹扩展同时存在并相互竞争。根据实验结果，Fe-MG在压缩下的剪切带形成和裂纹扩展的演化过程如图7所示，其变形和失效机制可以分为四个阶段。

第一阶段：剪切带的起始和逐步发展

结论

本研究探讨了剪切带和裂纹的竞争、相互作用及演化过程。主要结论如下：

• (1)
  Fe-MG的变形和断裂行为具有明显的尺寸依赖性。在压缩作用下，2毫米的样品发生脆性断裂，而1毫米的样品则表现出显著的塑性变形，并伴有剪切带和裂纹的共同存在。提出了一个裂纹扩展稳定性模型，该模型表明

作者贡献声明

贾莉：撰写 – 原稿撰写，数据可视化，方法制定，实验研究。 毛浩天：方法制定，实验研究。 曲瑞涛：撰写 – 审稿与编辑，方法制定，实验研究，资金申请，概念构思。 郭胜峰：撰写 – 审稿与编辑，方法制定。 刘峰：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金会（项目编号52571100和52431002）、苏州实验室开放研究基金（SZLAB-1108-2025-ZD001）以及河南省科学院高层次人才研究启动项目（项目编号242017126）的财务支持。

Jia Li|Haotian Ma|Ruitao Qu|Shengfeng Guo|Feng Liu