相比于傳統晶態合金，由于長程無序的原子結構，塊體非晶合金具有諸多獨特的力學性能，例如高的屈服強度與硬度、大的彈性極限、優異的抗腐蝕性能和耐磨性能等。然而，在室溫準靜態拉伸的載荷下，由于高度局域化剪切帶的形核并快速擴展，塊體非晶合金通常表現為災難性的脆性斷裂。
為了改善這一限制非晶合金應用于結構工程材料的缺點，近年來在非晶合金中引入具有韌性的晶體第二相來阻礙主剪切帶的快速擴展以及促使多重剪切帶的形成，制備出兼顧高強度和高韌性的晶體相增韌的非晶復合材料。
日前，太原理工大學喬珺威教授(通訊作者)在International Journal of Plasticity上發表了一篇名為 " Universally scaling Hall-Petch-like relationship in metallic glass matrix composites" 的文章。
研究論文討論了非晶復合材料中一般性的規律，即類霍爾佩奇關系。本課題選取由位錯滑移機制為主導塑性的、樹枝晶增韌的非晶復合材料，建立起非晶復合材料中位錯塞積模型。通過對樹枝晶中位錯運動具體過程和位錯間相互作用力的分析，結合非晶復合材料特殊的結構特征，推導出屈服強度與樹枝晶尺寸的定量關系。
并且利用平均場理論，大數據統計分析非晶復合材料成分-微觀組織結構間的定量關聯。對樹枝晶枝晶臂的尺寸進行統計，并將成分參量引入，預測成分參量對于樹枝晶枝晶臂直徑的累計概率密度分布的影響。提出累計概率密度分布的臨界值，建立起成分參量與此體系下非晶復合材料枝晶尺寸臨界值的關系，從而達到預測枝晶尺寸的目的。
基于以上兩點考慮，可以構建出成分-組織-屈服的定量函數關系，從而做到對內生非晶復合材料進行成分設計。
圖1：樹枝晶增韌非晶復合材料結構特征
圖1 (a)非晶復合材料鑄態的掃描圖；(b)復合材料的XRD圖譜；(c)和(d)分別是樹枝晶和非晶基體的選取電子衍射圖譜
作為模型材料，名義成分是Ti50Zr20V10Cu5Be15 (atom%)是一種典型的樹枝晶增韌的非晶復合材料。晶體第二相彌散分布在成片的非晶基體上。
圖2：非晶復合材料中位錯塞積模型
圖2 (a)是拉伸變形后樣品的TEM明場像；(b) 非晶復合材料中位錯塞積示意圖
非晶復合材料在變形過程中，樹枝晶中產生位錯滑移并塞積于兩相界面處。當作用于界面處的切應力達到非晶基體的臨界面型切應力后，非晶中剪切帶形核并快速擴展，并將應力傳遞至下一個晶粒中，引起位錯滑移。
圖3：內生非晶復合材料體系中的類霍爾佩奇關系
圖3 非晶復合材料屈服強度與樹枝晶枝晶臂直徑負二分之一次冪的線性關系圖
對于眾多的內生非晶復合材料體系，例如鈦基、鋯基、鎂基與鑭基，并且在不同的樣品制備方法中，例如銅模吸鑄和定向凝固，這種類霍爾佩奇關系都被證實是成立的。
圖4：平均場理論構建成分組織關系
圖4(a) Ti-Zr-V-Cu-Be體系的非晶復合材料樹枝晶枝晶臂直徑的累計概率密度分布圖；(b)屈服強度與成分參數的曲線。
利用平均場理論，即通過對同一體系非晶復合材料晶粒尺寸進行大數據統計，并將成分參量引入，便可以得到組織與成分參量間的定量函數關系。
將此函數關系結合類霍爾佩奇關系，建立起了成分參量與此體系下非晶復合材料屈服強度的關系。
制備內生非晶復合材料的方式可以提高非晶合金的塑性變形能力。而為了得到綜合性能更加優異的復合材料，需要衡量晶體第二相的加入對性能的影響。本研究成功構建出非晶復合材料中成分-組織-性能的定量關系，為內生非晶復合材料的成分設計提供了理論參考。
喬珺威，太原理工大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，材料科學與工程學院副院長，亞穩態金屬材料研究團隊負責人。
喬珺威團隊供稿，非晶中國整理編輯。
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