摘要：块状金属玻璃复合材料（BMGCs）的制备过程中，特意引入了晶态第二相，以阻止剪切带（SBs）的快速扩展，并诱发多条剪切带的产生，从而提高材料在室温下的塑性。

块状金属玻璃复合材料（BMGCs）的制备过程中，特意引入了晶态第二相，以阻止剪切带（SBs）的快速扩展，并诱发多条剪切带的产生，从而提高材料在室温下的塑性。

具体而言，具有变形诱导相变的原位生成块状金属玻璃复合材料，即所谓的 “相变诱发塑性增强型块状金属玻璃复合材料”，因其优异的拉伸延展性、增强的加工硬化能力以及牢固的界面结合而备受关注。

【成果速览】

分形结构作为枝晶所固有的形态特征，在决定材料的力学性能方面至关重要。本项工作中，东北大学/北京科技大学王沿东教授带领团队揭示了具有分形结构的相变诱发塑性（TRIP）增强型块状金属玻璃复合材料中稳定的马氏体形核机制。这一发现是通过数字模拟和实验研究的综合分析得出的，所确定的稳定马氏体形核机制引发了马氏体相变与剪切带扩展之间的阶段性相互作用，可表示为 “马氏体诱发剪切带” 和 “剪切带诱发马氏体”。这些由分形结构枝晶驱动的变形机制，有助于在强度和延展性之间实现理想的平衡，这比传统的以牺牲强度来提高塑性的做法更具优势。对稳定马氏体形核和阶段性变形机制的深入理解，为了解这些材料的力学行为提供了重要见解，有助于通过诸如预加载处理等方式来调控材料的力学性能。该研究结果深化了对相变诱发塑性增强型块状金属玻璃复合材料中分形结构的基础认知，并为高性能材料的设计提供了一个全新视角。

该论文的第一作者是东北大学赵梓焱，相关成果以「A stabilized martensitic nucleation mechanism in TRIP-reinforced metallic glass composites with fractal structures」为题刊登在Acta Materialia上。

【数据概况】

图1. 原位同步辐射高能量分辨率X射线衍射（HEXRD）测量的实验装置示意图。

图2.a 铸态复合材料的SEM图像，插图为分形维数计算曲线。b 铸态样品的一维HEXRD图，插图为展开的二维衍射图。c 断裂后的复合材料的SEM图像。d 断裂后的复合材料的TEM图像，插图为选区电子衍射（SAED）图。

图3. 铸态L1₂型HEI微观尺度的TEM图像。

图4.a 加载过程中，晶格应变分量沿加载方向（LD）和横向（TD）随施加应力变化的演变情况。b 在变形过程中，β相和α" 相不同 {hkl} 晶面的微观应力对应变施加的响应情况。

图5.a 通过有限元模拟得到的枝晶、玻璃基体以及复合材料的应力分配情况，还有复合材料的实验应力-应变曲线。b 加工硬化速率、枝晶中马氏体的归一化体积分数以及玻璃基体中自由体积的模拟曲线，以及实验测得的加工硬化速率曲线。c 最大面内主应变场，以及d 通过有限元模拟得到的应变为0.04时变形后复合材料的马氏体分布情况。

图6.a 通过有限元模拟得到的应变为0.02时变形后复合材料中枝晶内马氏体的分布情况，以及b 玻璃基体中自由体积的分布情况。c G1区域的放大视图。d G2区域的放大视图、G2区域轮廓的曲率，以及曲率半径与X轴正方向之间的夹角。e G1区域中一个具有代表性的枝晶整个轮廓的曲率。

【结论展望】

通过原位HEXRD实验与有限元模拟，探究分形结构对TRIP增强型枝晶状块状金属玻璃复合材料微观结构演变和力学性能的影响，主要发现如下：

（i）变形弹塑性阶段，高分形维数第二相中有稳定马氏体形核，与低分形维数第二相的连续形核生长机制不同。

（ii）塑性阶段，分形结构引发的稳定马氏体形核及多尺度微观结构，致使马氏体转变（MT）与SBs产生 “马氏体诱发剪切带” 和 “剪切带诱发马氏体” 的阶段性相互作用。塑性前期，“马氏体诱发剪切带” 机制主导，低体积分数且均匀分布的剪切带和马氏体助力高强度；塑性后期，“剪切带诱发马氏体” 机制主导，多尺度枝晶尺寸和间距延长TRIP效应。

（iii）对稳定马氏体形核及MT与SBs相互作用的深入理解，为预加载处理提供了指导。在 “稳定马氏体形核” 或 “马氏体诱发剪切带” 阶段的预加载处理，可调控MT动力学，从而提升塑性且强度仅略微降低；而在 “剪切带诱发马氏体” 阶段的预加载处理中，引入大量残余马氏体，使屈服应力增加、塑性降低。

分形结构的存在导致界面扭曲和多尺度微观结构的形成，进而产生稳定的马氏体形核和阶段性变形机制，最终提高材料韧性、屈服强度和加工硬化能力。

因此，设计具有更高分形维数枝晶有望放大这种阶段性效应，并实现更好的力学性能。这些发现不仅阐明了相变诱发塑性增强型块状金属玻璃复合材料中与分形结构相关的基本变形机制，还引入了分形设计概念，这对高性能块状金属玻璃复合材料的开发至关重要。

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转载：材料设计

来源：特铸杂志