泽攸科技原位SEM在层级微纳结构锆基金属玻璃研究中的应用-泽攸科技

首页

泽攸科技原位SEM在层级微纳结构锆基金属玻璃研究中的应用

发布时间：

2024-12-09

金属玻璃（MGs）因其独特的无序微观结构而展现出许多优异的性能，如高强度和高韧性，这使得它们在结构材料领域具有广泛的应用潜力。此外，由于其简单的组成和微观结构，非晶合金被认为是研究凝聚态物理的理想模型，有助于深入理解玻璃转变和过冷液体的本质。因此金属玻璃不仅在工程应用中备受关注，在材料科学、物理学和力学等领域也引起了研究人员的浓厚兴趣。然而金属玻璃的一个主要问题是室温下缺乏拉伸塑性。与传统晶体合金通过位错、孪生和相变主导的塑性变形不同，金属玻璃的变形高度局域化，沿主剪切带迅速扩展，导致材料在单轴拉伸载荷下发生灾难性的脆性断裂。

近年来，虽然在理解金属玻璃塑性变形机制及提高其拉伸塑性方面取得了许多创新成果和显著进展，但这一挑战仍然存在。例如，通过高能电子辐照改变局部弹性软区的结构，可以观察到沿拉伸方向的塑性变形；低温循环处理后，金属玻璃样品表现出更高的松弛焓和增强的压缩塑性；通过纳米多孔合金中的界面阻止剪切带扩展，也能有效提升材料的拉伸塑性。此外特定微缺陷的引入，如预制槽口抑制剪切带形成和扩展，以及通过热塑性成型制备规则微孔阵列，均能有效控制金属玻璃的应变局域化和拉伸塑性。尽管这些方法在一定程度上提高了金属玻璃的塑性，但如何进一步优化其多层次结构以实现更高塑性仍然是一个亟待解决的问题。

针对上述金属玻璃室温下拉伸塑性不足的问题，来自江苏科技大学、香港城市大学、上海科技大学的研究团队利用泽攸科技原位SEM测量系统进行了深入研究，他们通过结合热循环处理和高频振动技术，成功制备了具有层次微纳结构的锆基金属玻璃，并显著提升了其室温下的拉伸塑性。相关成功以“Hierarchical micro-nanostructured Zr-based metallic glass with tensile plasticity”为题发表在《Acta Materialia》期刊上，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120553

论文的主要研究内容集中在通过结合热循环处理和高频振动技术，制备具有层次微纳结构的锆基金属玻璃（MG），并系统地研究其室温下的拉伸塑性。研究团队首先通过在液氮和室温之间进行多次热循环处理，使金属玻璃在纳米尺度上产生了更高的结构异质性。随后，利用高频振动技术在热循环处理后的样品表面制备了低弹性模量的微米阵列，从而在微米尺度上引入了额外的结构异质性。

图不同结构异质性的Zr61Cu25Al12Ti2金属玻璃样品的断裂形貌扫描电镜图像

研究团队通过多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、纳米压痕测试和X射线光电子能谱（XPS），详细分析了样品在不同处理步骤后的结构变化和力学性能。实验结果表明，经过热循环处理的样品在纳米尺度上的结构异质性显著增加，而高频振动处理则在微米尺度上形成了低弹性模量的微阵列。这些结构异质性不仅影响了材料的力学性能，还显著提高了其室温下的拉伸塑性。

图 (a-e) 层次微纳结构Zr61Cu25Al12Ti2金属玻璃在不同拉伸加载阶段的原位SEM图像，显示剪切带的阻挡情况

为了进一步理解材料的塑性变形机制，研究团队进行了有限元计算和分子动力学模拟。计算结果显示，微米尺度上的低弹性模量微阵列能够诱导复杂的应力分布，从而抑制剪切带的扩展并促进其分支，而纳米尺度上的结构异质性则激活了更多的变形单元，共同作用下显著提高了材料的拉伸塑性。最终，经过处理的锆基金属玻璃在室温下的拉伸塑性达到了0.68%，并且在拉伸过程中观察到了多剪切带的形成和阻挡现象。

图铸态样品和低弹性模量阵列样品在拉伸变形过程中的分子动力学模拟

综上所述，通过结合热循环处理和高频振动技术，成功制备了具有层次微纳结构的锆基金属玻璃。这种多层次结构不仅在纳米尺度上增加了结构异质性，还在微米尺度上引入了低弹性模量的微阵列，共同作用下显著提高了材料的室温拉伸塑性。实验和模拟结果揭示了塑性变形过程中剪切带的激活、分支和阻挡机制，为理解和优化金属玻璃的结构异质性和塑性变形机制提供了重要的理论基础。

下图为本研究成果中用到的泽攸科技原位SEM拉伸台产品：