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向金属玻璃的脆性说“No” 精选

已有 17632 次阅读 2012-7-1 15:07 |个人分类:业内科普|系统分类:科研笔记| 材料科学, 金属玻璃, 断裂韧性

仅从力学性能的角度来说，金属玻璃具有高强度、高弹性极限的特点。然而，在无约束的载荷（如拉伸）作用下，其形变仅限于高度局域化的剪切带内，剪切带一旦萌生，便迅速扩展，导致材料整体发生灾难性断裂。换句话说，在拉伸载荷作用下的宏观塑性变形能力（塑性应变或延伸率）几乎为零。因此，有些人将金属玻璃归类为一类“准脆性”材料。拉伸没有塑性的材料是否真的就是很脆呢？

其实，“塑性(plasticity)”与“韧性（toughness）” 似乎是两个很容易被混淆的概念。许多人甚至完全是望文生义，乃至于想当然地认为二者可能是一回事儿。注意，二者有关联，但不是一回事儿。衡量材料韧性的一项比较基本但却很重要指标是材料的“断裂韧性”。断裂韧性也是工程上选用高强度材料作为承受载荷零部件时进行设计的依据。断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力。材料的韧性越高，断裂时所消耗的能量就越大。在实验上，专业地测量材料的断裂韧性颇有难度，远不如一般的压缩或者拉伸实验那样简单。对于新材料而言，越是接近于实用，就越是需要了解其断裂韧性。按照标准的测量方法，测量断裂韧性需要较大尺寸的试样。数据的计算与处理也比较麻烦。

金属玻璃的断裂韧性很早就受到人们的关注，即便是在仅仅能够获得薄带试样的上个世纪70年代。块体金属玻璃（BMG）出现后，断裂韧性的研究仍然很有限的原因主要有两个方面，一是由于相当一部分材料都很脆，无法实现“疲劳预制裂纹”；另一方面是受到合金玻璃形成能力的限制，能够制备出大尺寸试样的合金体系还是有限的。已有的研究结果显示，金属玻璃的断裂韧性差不多跨越（覆盖）两个数量级，从大约2 MPaÖm 到100 MPaÖm。脆者真的是像“玻璃”一样，韧性好的甚至可以超过钢铁和钛合金。

2011年，美国加州理工学院Bill Johnson教授的研究组，报道了一种新的Pd₇₉Ag_3.5P₆Si_9.5Ge₂金属玻璃，声称其断裂韧性可以达到200 MPaÖm水平，强度与韧性的结合超过目前所有的金属材料，并首次揭示高韧性的单相金属玻璃（不含第二相）可表现出裂纹阻力行为（R-曲线），即随着裂纹的扩展（也叫生长），可出现应变能释放速率（J或者K）的增高。在裂纹尖端出现由于多重剪切带萌生与增殖所构成的大范围的塑性区。这一发现具有重要意义，说明不脆的金属玻璃“可以有”。文章在《Nature Materials》发表后，曾经引起轰动。就连英国的《泰晤士报》都进行了报道。

当然，以贵金属作为合金成分基础的钯基金属玻璃价格不斐，是不可能作为结构材料广为应用的（美国人正在探索其生物医用和在奢侈品上的应用）。那么，除了钯基合金之外，是否还会有其他合金体系的金属玻璃可以具有高断裂韧性，也会出现“R-曲线”行为？答案是“Ye!”。

几年前，我们开始聚焦金属玻璃断裂韧性的问题。经过不断地上下求索，功夫不负有心人。两年前，工作开始有了眉目。在Zr-Ti-Cu-Al四元合金中发现的Zr₆₁Ti₂Cu₂₅Al₁₂合金（简称为ZT1）不仅具有较好的玻璃形成能力，而且具有很高的断裂韧性。用于断裂韧性研究的试样不仅能够预制出疲劳裂纹，而且在“载荷-裂纹张开位移曲线”上出现明显偏离线弹性的倾向。进一步而言，我们的合金是否也会具有裂纹生长阻力的特性，表现出R-曲线？经过学生的努力，我们的确发现，R-曲线在锆基金属玻璃中“可以有”，ZT 1的断裂韧性达到130 MPaÖm也“可以有”，见新近发表的论文“Crack-resistance curve of a Zr-Ti-Cu-Al bulk metallic glass with extraordinary fracture toughness”, Acta Mater. 60 (2012) 4940。

我们的工作显示，不脆的金属玻璃不仅在钯基合金里“可以有”，在不含贵金属的锆基合金里也“可以有”！其他的地方，也可能还会有。没有探索，就不会有新发现。我曾经对做断裂韧性研究的学生们说，你如果是在做BMG的压缩实验，就好比是开着一辆桑塔纳，而你要是做它的拉伸性能研究，那就是开上了奥迪。如果你做断裂韧性的研究，那就等于是开上了奔驰或者宝马。那么，你想开什么？事实证明，奔驰咱们可以开！而且开奔驰的感觉真好。哈哈！

参考文献

1. J. Xu, U. Ramamurty, E. Ma, The fracture toughness of bulk metallic glasses, JOM, 62 (2010) 10.

2. Q. He, Y.Q. Cheng, E. Ma, J. Xu, Locating bulk metallic glasses with high fracture toughness: chemical effects and composition optimization, Acta Mater. 59 (2011) 202.

3. Q. He, J.K. Shang, E. Ma, J. Xu, Crack-resistance curve of a Zr-Ti-Cu-Al bulk metallic glass with extraordinary fracture toughness, Acta Mater. 60 (2012) 4940.