Flash Joule heating for ductilization of metallic glasses

闪速焦耳加热实现金属玻璃的韧化

论文亮点

研究背景

• 金属玻璃(MGs)具有接近理论极限的高强度，但由于缺乏滑移系统，在拉伸条件下表现出极端脆性
• 通过在有延展性的晶体中沉淀，可以抑制玻璃基体中剪切带的灾难性传播，从而改善金属玻璃的韧性
• 传统的原位和非原位金属玻璃复合材料制备方法存在微观结构不均匀、成分和几何形状受限等问题

研究方法

样品制备

• 使用高纯度Cu(99.99%)、Zr(99.98%)和Al(99.99%)通过电弧熔炼制备Cu_47.5Zr_47.5Al₅ (at.%)合金锭
• 通过熔体旋淬技术从合金锭制备玻璃态带材

闪速焦耳加热处理

• 将25mm长的带材样品固定在真空室(∼10^-3 mbar)中的两个电极之间
• 通过通过高密度电流对样品进行加热，同时采用准四探针法测量样品电阻
• 通过专门程序实时分析电阻的时间依赖性(实际值和一阶导数)
• 根据选择的条件(导数中的阈值)，可以停止电流流动并使带材冷却
• 检测到所需阈值与淬火之间的特征时间延迟约为20ms

表征技术

• X射线衍射(XRD)：STOE STADI P with Mo-K_α1辐射
• 扫描电子显微镜(SEM)：Zeiss Leo Gemini 1530
• 透射电子显微镜(TEM)：FEI Tecnai
• 力学测试：Instron 8562机器，应变速率1×10^-4 s^-1，室温
• 应变测量：激光引伸计(Fiedler Optoelektronik)，标距长度5mm

主要结论

• 通过控制闪速焦耳加热参数，成功在Cu_47.5Zr_47.5Al₅金属玻璃基体中制备出均匀分布的B2 CuZr晶体复合材料
• MG-B2复合材料表现出6.8±0.5%的显著拉伸塑性应变，断裂强度达到1520±50MPa，超过原始金属玻璃
• 通过调节热处理条件可以微调微观结构，获得具有不同力学性能的优化非平衡微观结构

图1: Cu_47.5Zr_47.5Al₅的时间-温度转变示意图

分析结果

该示意图展示了Cu_47.5Zr_47.5Al₅合金的时间-温度转变行为：

• 轨迹'h₁'表示在电流密度i₁ = 50±3 MA/m²下的加热过程
• 轨迹'h₂'表示在电流密度i₂ = 33±3 MA/m²下的加热过程
• 轨迹'c₁'表示从时间t₁开始的冷却过程
• 轨迹'c₂'表示从时间t₂开始的冷却过程
• 通过快速加热可以将玻璃化转变温度移至高温区域，有利于B2 CuZr相的形成
• 随后的快速冷却可以防止B2 CuZr完全分解为低温平衡相(LTEPs)

图2: Cu_47.5Zr_47.5Al₅玻璃带材的焦耳加热

分析结果

图2展示了焦耳加热实验装置和电阻变化特性：

• 图2a: 快速焦耳加热实验装置示意图，样品固定在真空室中的两个电极之间
• 图2b: 电流密度与脱玻化开始时间的关系图，显示非线性行为
• 插图: 在电流密度i₁ = 50±3 MA/m²下实时测量的归一化电阻率(下曲线)及其导数(上曲线)
• 在t≈700ms处的电阻率下降表明金属玻璃开始结晶
• 较高的电流密度对应较高的加热速率，i₁和i₂分别对应不低于700K/s和250K/s的加热速率

图3: 快速焦耳加热后Cu_47.5Zr_47.5Al₅带材的X射线衍射图

分析结果

图3展示了不同热处理条件下样品的X射线衍射分析结果：

• 图3a,b: 完全晶态样品(FC-B2)变形前后的XRD图谱，显示B2 CuZr和少量Cu₁₀Zr₇相
• 图3c,d: 超细结构复合材料(UFSC-B2)变形前后的XRD图谱，显示B2 CuZr和较多Cu₁₀Zr₇相(约55vol.%)
• 图3e,f: 金属玻璃基复合材料(MG-B2)变形前后的XRD图谱，显示玻璃基体中均匀分布的B2 CuZr晶体
• 变形后的MG-B2复合材料X射线衍射峰展宽表明位错密度增加
• 所有样品在变形前后晶体结构没有明显变化，表明B2 CuZr相的稳定性

图4: 快速焦耳加热后Cu_47.5Zr_47.5Al₅带材的微观结构

分析结果

图4展示了不同热处理条件下样品的微观结构特征：

• 图4a-c: 完全晶态样品(FC-B2)的SEM和TEM图像，显示微米级Cu₁₀Zr₇枝晶(约4vol.%)嵌入B2 CuZr基体中
• B2 CuZr晶体的平均晶粒尺寸约为9±3μm，比铸态样品小一个数量级
• 图4d,e: 超细结构复合材料(UFSC-B2)的SEM图像，显示Cu₁₀Zr₇相体积分数较高(约55vol.%)
• Cu₁₀Zr₇枝晶的平均尺寸(1.5±0.5μm)比FC-B2样品小约两倍
• 图4f-h: 金属玻璃基复合材料(MG-B2)的SEM和TEM图像，显示玻璃基体中均匀分布的B2 CuZr晶体
• B2 CuZr的体积分数和平均尺寸分别为33±3vol.%和5±2μm

图5: 室温力学性能和断口形貌

分析结果

图5展示了样品的力学性能和断裂特征：

• 图5a: 室温拉伸性能，插图显示比能量吸收值
• 热处理样品表现出改善的力学性能，特别是显著的拉伸塑性应变(6.8±0.5%)
• 铸态非晶带材显示约1.5%的弹性变形，达到1420±50MPa的断裂应力后以典型脆性方式断裂
• 图5b: 玻璃态带材的断裂表面，显示特征性的脉纹图案形态
• 图5c: MG-B2复合材料的断裂表面，与MG样品相比具有更细的脉纹图案形态
• 图5d: 完全晶态B2 CuZr(FC-B2)的断裂表面，显示晶间断裂特征
• 图5e: 超细结构复合材料(UFSC-B2)的断裂表面，圆圈标记处为铸造缺陷