大塊金屬玻璃具有高彈性強度、高斷裂韌性、耐磨、耐腐蝕等特點，是一種很有發展前景的結構材料。金屬玻璃是一種典型的無序材料，長程無序，缺乏類似晶體材料中位錯的變形載體。屈服後的塑性應變主要集中在納米尺度的剪切帶內。在大多數情況下，大塊金屬玻璃的快速破壞可能發生在初級剪切帶。此外，大塊金屬玻璃在整個塑性變形過程中經常表現出軟化。目前已經提出了金屬玻璃中的變形單元，包括剪切轉換區、自由體積、流動單元、類液體區域、等。然而大塊金屬玻璃有限的拉伸塑性阻礙了其廣泛的工程應用。因此深入了解大塊金屬玻璃的結構-性能關係是解決上述困難的必要條件。通過年輕化處理產生額外的自由體積，在提高大塊金屬玻璃的壓縮塑性方面已經取得了進展。年輕化方法有很多，包括低溫熱循環和機械循環等。由於大塊金屬玻璃中的非均勻結構具有不均勻的熱膨脹係數，導致非仿射熱應變，因此低溫熱循環可以誘導年輕化。金屬玻璃也可以通過機械變形恢復到更高的能態，如高壓扭轉、冷軋等。然而傳統的高壓扭轉、冷軋等大塑性變形工藝會在大塊金屬玻璃中引入許多非均勻宏觀缺陷，使其力學性能惡化。因此在三維應力受限環境下的變形技術已被發現比傳統的年輕化方法更能有效地避免集中的微觀缺陷。約束變形法可以在大塊金屬玻璃試樣中產生大量的自由體積。在三維壓應力作用下，剪切應力小於剪切帶的臨界生成應力，防止了應變局部化。因此，約束變形法也可以顯著提高金屬玻璃壓縮塑性。然而拉伸塑性提高是否大於鑄態金屬玻璃仍不確定。值得一提的是，研究約束變形過程中原子尺度結構演變有助於建立其原子尺度結構與性能之間的相關性。
基於此，南京理工大學的蘭司教授團隊利用原位高能同步X射線衍射技術，揭示了VIT-105金屬玻璃的原子尺度結構演化過程。VIT-105金屬玻璃可以通過約束變形法進行預處理，獲得了比鑄態金屬玻璃更高的抗拉強度。同時由鑄態玻璃的單一階段塑性變形演化為雙階段塑性變形。實驗結果揭示了約束變形過程中原子結構演化與力學性能之間的關聯，這有利於基於約束變形技術開發具有可觀塑性變形的金屬玻璃材料。相關論文以題為「Medium-range order endows a bulk metallic glass with enhanced tensile ductility」發表在Journal of Materials Science & Technology上。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223002840
圖1 (a)鑄態和約束變形金屬玻璃的比熱容曲線; 鑄態(b)和約束變形(c)金屬玻璃的HRTEM圖; (d) 約束變形金屬玻璃剪切帶形貌的SEM圖。
圖2 (a)單軸拉伸下原位同步加速器X射線衍射示意圖; (b) 鑄態和約束變形金屬玻璃原位拉伸應力-應變曲線; (c) 鑄態和約束變形金屬玻璃中子和同步加速器結構因子圖; (d) 鑄態和約束變形金屬玻璃剖面的G(r)曲線。
圖3(a)鑄態和(b)約束變形金屬玻璃在初始狀態、屈服點和斷裂前的同步X射線結構因子圖; (c)鑄態和(d)約束變形金屬玻璃變形過程與初始狀態之間峰值位置的差異。
圖4 (a)鑄態和(b)約束變形金屬玻璃在初始狀態、屈服點和斷裂前的剖面G(r)曲線; (c)鑄態和(d)約束變形金屬玻璃對分布函數圖中第二配位的高斯擬合結果。
綜上所述，作者通過採用原位同步高能X射線衍射、中子散射、透射電鏡、掃描電鏡等手段，研究了約束變形過程中金屬玻璃的中短程結構演化過程。結果表明，約束變形金屬玻璃比鑄態金屬玻璃具有更高的強度和更好的塑性。在約束變形金屬玻璃中存在鬆散排列的中程序。約束變形金屬玻璃的塑性變形分為兩個階段，而鑄態的塑性變形只有一個階段。在約束變形金屬玻璃塑性變形的第二階段，「應變硬化」速率增加，表明變形過程中存在反常的組織響應。研究發現在張力作用下中程序變化較大而短短序變化較小。此外約束變形金屬玻璃在彈性階段表現出更強的各向異性。實驗結果表明在約束變形的不同變形階段，2原子和3原子的連接模式發生變化並相互競爭。年輕化效應和老化效應之間的競爭可能導致約束變形金屬玻璃塑性變形階段的結構交叉。研究結果為提高金屬玻璃的拉伸塑性提供了重要指導。（文：Keep real）
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