導讀：具有高強度和大拉伸延展性的晶體材料通常表現出高斷裂韌性。然而，盡管塊狀金屬玻璃復合材料（BMGCs）相較于塊狀金屬玻璃（BMGs）在強度和延展性的綜合性能上有了顯著提升，但其斷裂韌性往往低得多。此外，塊狀金屬玻璃復合材料在單軸拉伸應力下以及在斷裂韌性測量過程中處于復雜應力狀態時的變形機制，在很大程度上仍不為人所知。在此，我們研究了含有穩定晶體或可相變晶體的鈦基塊狀金屬玻璃復合材料的拉伸性能和斷裂韌性。可相變的塊狀金屬玻璃復合材料相較于含有穩定晶體的塊狀金屬玻璃復合材料，展現出了顯著改善的拉伸性能，但斷裂韌性卻更低，這與晶體材料中普遍存在的常見認知相悖。

研究表明，玻璃-晶體雙相塊狀金屬玻璃復合材料中的變形機制對應力狀態十分敏感。雖然在單軸拉伸下，可相變的塊狀金屬玻璃復合材料中很大一部分變形誘導馬氏體以及通過剪切帶產生的塑性變形會發生，但在斷裂韌性測量過程中，由于裂紋尖端的應力三軸性，這種變形受到了抑制，從而導致斷裂韌性降低。

基于這些發現，我們提出了一種依賴于調整晶相的亞穩性的策略，并通過實驗進行了驗證。新設計的塊狀金屬玻璃復合材料的拉伸性能和斷裂韌性同時得到了提升，優于所有已報道的塊狀金屬玻璃復合材料。

塊狀金屬玻璃（BMGs）由于其優異的機械性能，如高強度、高硬度和大彈性，且原子堆積不存在長程有序結構，是很有前景的結構材料。然而，塊狀金屬玻璃在遠低于其玻璃化轉變溫度的溫度下，承受單軸拉伸時通常表現出零拉伸延展性和災難性的破壞。這是因為塑性應變會局部化到狹窄的“剪切帶”中，隨后剪切帶不受阻礙地擴展，導致拉伸試樣發生破壞。

為了克服這一主要缺點，含有原位形成晶相的塊狀金屬玻璃復合材料（BMGCs）已被研發出來。在已構思的眾多塊狀金屬玻璃復合材料中，含有β-Ti/Zr晶體的Ti/Zr基塊狀金屬玻璃復合材料，以及含有B2-CuZr(Ti)晶體的CuZr(Ti)基塊狀金屬玻璃復合材料是兩類研究最為活躍的塊狀金屬玻璃復合材料。

Ti/Zr基塊狀金屬玻璃復合材料通常含有穩定的β-Ti/Zr晶體，也就是說，它們不易發生變形誘導馬氏體轉變（DIMT），其變形響應由位錯介導的塑性（DMP）所控制。這類塊狀金屬玻璃復合材料在拉伸時通常表現出明顯的宏觀應變軟化和較差的均勻延伸率，這反映出材料的使用安全性較差。

相比之下，具有B2晶體結構且能夠發生變形誘導馬氏體轉變的晶相的CuZr基塊狀金屬玻璃復合材料在拉伸時表現出應變硬化。最近，具有β-Ti↔α″-Ti變形誘導馬氏體轉變的Ti基塊狀金屬玻璃復合材料引起了廣泛的研究興趣，因為其β-Ti枝晶的微觀結構和亞穩性可以被調控，從而實現較大的拉伸延展性，同時伴有高應變硬化能力。

一種簡單直接估計材料韌性的方法是測量真實應力-應變曲線下的面積。這被稱為靜態韌性（也稱為拉伸韌性），UT體現了拉伸性能，并且取決于拉伸強度和延展性。作為一個本質上反映試樣在拉伸變形過程中通過塑性變形吸收能量的參數，UT與斷裂韌性密切相關，斷裂韌性代表了材料抵抗裂紋萌生和擴展的能力。靜態韌性和斷裂韌性對于評估結構材料的使用安全性都至關重要。

對于晶體材料來說，UT和斷裂韌性呈正相關，靜態韌性的增加通常會導致斷裂韌性的提高。這一可能性是許多塊狀金屬玻璃研究領域的研究人員追求不同策略以使塊狀金屬玻璃具有加工硬化行為，進而提高其延展性的主要潛在因素。

然而，對于塊狀金屬玻璃和塊狀金屬玻璃復合材料來說，UT和斷裂韌性之間的關系仍不明確。就塊狀金屬玻璃而言，可以實現較高的斷裂韌性，例如，鈀基和鋯基塊狀金屬玻璃的I型斷裂韌性值高達200 MPa m1/2 ，但拉伸延展性為零，導致UT較低。同樣，含有穩定β-Zr枝晶的鋯基塊狀金屬玻璃復合材料在所有已報道的塊狀金屬玻璃復合材料中表現出最高約173 MPa m1/2 的韌性，但在拉伸時表現出嚴重的應變軟化和較差的均勻延伸率（約2%）。

相比之下，含有可相變晶體的塊狀金屬玻璃復合材料表現出比單一的塊狀金屬玻璃和含有穩定晶體的塊狀金屬玻璃復合材料更好的強度和延展性的組合，但已報道的可相變塊狀金屬玻璃復合材料的最高斷裂韌性僅為105 MPa m1/2 ，遠低于塊狀金屬玻璃和含有穩定晶體的塊狀金屬玻璃復合材料的斷裂韌性。

塊狀金屬玻璃復合材料中拉伸性能和斷裂韌性之間這種在一定程度上的負相關關系，凸顯了進一步研究單軸拉伸試驗（其中應力狀態簡單）過程中普遍存在的變形機制，并與斷裂韌性測量過程中（裂紋尖端前方的應力狀態為三軸且通常相當復雜）發生的變形機制進行比較的必要性。

在這項工作中，中國科學院系統地研究了含有由位錯介導塑性（DMP）的穩定晶體或由變形誘導馬氏體轉變（DIMT）的可相變晶體的塊狀金屬玻璃復合材料的拉伸性能和斷裂韌性。與含有穩定晶體的塊狀金屬玻璃復合材料相比，可相變的塊狀金屬玻璃復合材料表現出更好的拉伸性能，但斷裂韌性較低。實驗和輔助的分子動力學（MD）模擬揭示了塊狀金屬玻璃復合材料在單軸拉伸應力和復雜應力狀態下不同的變形機制。基于這些認識，我們提出了一種同時提高塊狀金屬玻璃復合材料拉伸性能和斷裂韌性的策略，并證明新設計的塊狀金屬玻璃復合材料具有優異的綜合機械性能。

相關研究成果以“Simultaneous enhancement of tensile properties and fracture toughness of bulk metallic glass composites”發表在Acta Materialia上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425003088

圖1. 鑄態Fe2-NT和Fe0-MT合金的微觀結構。(a) 和 (b) 反極圖（IPF）彩色圖，插圖分別顯示了Fe2-NT和Fe0-MT中β-Ti的晶體學取向（上方）和X射線衍射（XRD）掃描圖（下方）。(c) 和 (d) 分別是Fe2-NT和Fe0-MT的透射電子顯微鏡（TEM）顯微照片，內附選區電子衍射（SAED）圖樣。

表1. 所研究的塊狀金屬玻璃復合材料（BMGCs）的成分和簡稱。同時列出了測量得到的β-Ti相體積分數
、β-Ti二次枝晶臂的平均尺寸
，以及通過能量色散X射線光譜（EDS）測定的兩相成分。

圖2. (a) Fe2-NT和Fe0-MT的工程拉伸應力-應變曲線。插圖展示了無缺口拉伸試樣的幾何形狀示意圖。(b) 無缺口的Fe2-NT和Fe0-MT的極限抗拉強度（UTS）和斷裂應變（εf）的統計直方圖。(c) 已報道的最小鑄造尺寸大于5毫米且拉伸應變大于5%的塊狀金屬玻璃復合材料（BMGCs）的均勻延伸率（εu）與強度（S）的對比情況。(d) Fe2-NT和Fe0-MT的靜態韌性（UT）和斷裂韌性（KJ）的統計直方圖。

表2. 所研究的塊狀金屬玻璃復合材料（BMGCs）的力學性能，包括屈服強度
、極限抗拉強度（UTS）、應變硬化能力
、均勻延伸率
以及單軸拉伸下的斷裂應變
。同時還列出了靜態韌性（UT）和缺口韌性
。

圖3. 拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的微觀結構。(a) 和 (b) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片，插圖為X射線衍射（XRD）掃描圖。(c) 和 (d) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的相圖。(e) 和 (f) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT相應的反極圖（IPF）彩色圖。(g) 和 (h) 分別是拉伸斷裂后的Fe2-NT和Fe0-MT的透射電子顯微鏡（TEM）顯微照片，內附選區電子衍射（SAED）圖樣。

圖4. Fe0-MT-10在原位拉伸實驗不同應變階段的微觀形貌：(a)-(c) 分別是實驗前鑄態Fe0-MT的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、相圖和反極圖（IPF）彩色圖；(d)-(f) 為宏觀屈服點時的圖像；(g)-(i) 是應變硬化階段的圖像；(j)-(l) 為斷裂前的圖像。

圖5. Fe2-NT在斷裂韌性測量過程中的微觀結構。(a) 和 (b) 分別是在約800牛和約1100牛載荷下缺口尖端區域的顯微圖像，插圖為局部放大的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖像。(c) 裂紋擴展過程中裂紋尖端區域的顯微圖像，插圖為X射線衍射（XRD）掃描圖。(d) 斷裂后的Fe2-NT的缺口尖端區域圖像，插圖為裂紋擴展路徑。(e) 和 (f) 分別是斷裂后的Fe2-NT的相圖和相應的反極圖（IPF）彩色圖。(g) 和 (h) 分別是斷裂后的Fe2-NT在不同位置的透射電子顯微鏡（TEM）顯微圖像，內附選區電子衍射（SAED）圖樣。

圖6. Fe0-MT在斷裂韌性測量過程中的微觀結構。(a) 在約800牛載荷下缺口尖端區域的顯微圖像，插圖為局部放大的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖像。(b) 裂紋擴展過程中裂紋尖端區域的顯微圖像。(c) 和 (d) 分別是裂紋擴展過程中裂紋路徑附近的相圖和相應的反極圖（IPF）彩色圖。(e) 斷裂后的Fe0-MT的缺口尖端區域圖像，插圖為裂紋擴展路徑。(f) 斷裂后的Fe0-MT的透射電子顯微鏡（TEM）顯微圖像，內附選區電子衍射（SAED）圖樣。(g) 和 (h) 分別是斷裂后的Fe0-MT的缺口尖端區域的相圖和相應的反極圖（IPF）彩色圖。

圖7. 兩種無缺口金屬玻璃復合材料（MGCs）中變形誘導馬氏體轉變（DIMT）和剪切帶的分子動力學（MD）模擬。(a) 和 (b) 分別是含有面心立方（FCC）銅晶體的無缺口金屬玻璃復合材料以及含有可相變B2-CuZr晶體的無缺口金屬玻璃復合材料在不同應變下的模擬情況。(c) 玻璃/晶體界面附近剪切帶（在本圖中簡稱為SB）的厚度隨塑性應變變化的關系圖。(d) 應變局部化程度隨塑性應變變化的關系圖。

圖8. 兩種帶缺口的金屬玻璃復合材料（MGCs）中變形誘導馬氏體轉變（DIMT）和剪切帶的分子動力學（MD）模擬。(a) 和 (b) 分別是含有面心立方（FCC）銅晶體的帶缺口金屬玻璃復合材料以及含有可相變B2-CuZr晶體的帶缺口金屬玻璃復合材料在不同應變下的模擬情況。(c) 玻璃/晶體界面附近剪切帶（在本圖中簡稱為SB）的厚度隨塑性應變變化的關系圖。(d) 應變局部化程度隨塑性應變變化的關系圖。

圖9. (a) 含有面心立方（FCC）銅晶體的無缺口和有缺口的金屬玻璃復合材料（MGCs）的位錯密度隨塑性應變的變化關系圖。(b) 含有可相變B2-CuZr晶體的無缺口和有缺口的金屬玻璃復合材料（MGCs）的相變含量隨塑性應變的變化關系圖。