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大塊金屬玻璃原子長程無序，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，如高強度、高硬度、大彈性等，是一種很有前景的結(jié)構(gòu)材料。然而當溫度遠低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度時，大塊金屬玻璃塑性應(yīng)變高度集中在狹窄的剪切帶。剪切帶的快速不穩(wěn)定傳播導(dǎo)致了災(zāi)難性破壞，使得金屬玻璃一般表現(xiàn)為零拉伸塑性和低韌性，嚴重阻礙了其實際應(yīng)用。為了促進剪切帶的增殖并抑制剪切帶的擴展，金屬玻璃復(fù)合材料已被廣泛探索并開發(fā)。在各種合金體系中，具有β-Ti/Zr枝晶的Ti/Zr基金屬玻璃復(fù)合材料引起了廣泛的研究興趣。室溫和液氮溫度之間的低溫熱循環(huán)是一種改變金屬玻璃和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的簡單方法，誘導(dǎo)玻璃相的年輕化。年輕化誘導(dǎo)金屬玻璃和復(fù)合材料塑性和韌性的提高，但相反的老化過程往往導(dǎo)致脆性。因此，年輕化為調(diào)節(jié)玻璃基體的能態(tài)和力學(xué)性能提供了新思路。目前，低溫熱循環(huán)年輕化的基本機制及其對力學(xué)性能的影響仍遠未被充分了解，迫切需要系統(tǒng)研究低溫熱循環(huán)對金屬玻璃復(fù)合材料沖擊韌性的影響。

基于此，中科院金屬所的研究團隊系統(tǒng)地研究了低溫熱循環(huán)對含β-Ti枝晶Ti基金屬玻璃復(fù)合材料組織和沖擊韌性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，低溫熱循環(huán)引起玻璃基體能量態(tài)的非單調(diào)演化，進而影響金屬玻璃復(fù)合材料的沖擊韌性。相關(guān)論文以題為“Non-monotonic influence of cryogenic thermal cycling on rejuvenation and impact toughness of Ti-based bulk metallic glass composites”發(fā)表在Scripta Materialia上。

論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223000659

圖1(a)鑄態(tài)和低溫熱循環(huán)處理的金屬玻璃復(fù)合材料的XRD圖譜；(b)和(c) EBSD彩色圖，(d)和(e) KAM圖，(f)和(g) TEM顯微圖。

圖2 (a)不同低溫熱循環(huán)處理的金屬玻璃復(fù)合材料的DSC圖譜；(b)在Tg之前的局部放大圖；(c)弛豫焓隨循環(huán)次數(shù)的演化。

圖3(a) 鑄態(tài)和低溫熱循環(huán)處理的金屬玻璃復(fù)合材料在298 K時的沖擊韌性；(b)和(c)主裂紋旁邊區(qū)域的SEM顯微圖，(d)和(e) KAM圖，(f)和(g) TEM顯微圖。

圖4 低溫熱循環(huán)處理機制示意圖。

在本研究中，研究人員系統(tǒng)研究了低溫熱循環(huán)處理對含β-Ti枝晶Ti基金屬玻璃復(fù)合材料結(jié)構(gòu)演化和沖擊韌性的影響。結(jié)果表明，低溫熱循環(huán)處理的加入并沒有改變β-Ti枝晶的微觀結(jié)構(gòu)，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，玻璃基體的結(jié)構(gòu)演化由年輕化和老化交替主導(dǎo)，形成非單調(diào)的年輕化。玻璃基體的非單調(diào)年輕化行為對金屬玻璃復(fù)合材料沖擊韌性影響十分明顯。298 K時玻璃基體和枝晶的協(xié)同增韌作用由更活化的狀態(tài)引起，金屬玻璃復(fù)合材料的沖擊韌性變化趨勢與玻璃基體能量態(tài)的非單調(diào)變化趨勢相同。但是在77 K時由于玻璃基體的韌性降低，玻璃基體的固有韌性決定了金屬玻璃復(fù)合材料的韌性，韌性變化趨勢與玻璃基體的非單調(diào)年輕化相反。這些發(fā)現(xiàn)闡明了低溫熱循環(huán)過程中年輕化和老化的變化及其對沖擊韌性的影響。