金属所《PRL》非晶内生亚稳β-Ti复合材料中的协同剪切学术资讯

来源：材料科学与工程

非晶内生β-Ti复合材料因具有较大的临界形成尺寸、优异的力学性能和释能特性，具有广阔的应用前景。如何针对应用目标实现组织结构与力学性能的有效调控是其难点。

近日，张龙副研究员（第一作者）、中科院物理所孙保安研究员、硕士生颜廷毅、张海峰研究员（通讯作者）与国外合作者R.L. Narayan博士、U. Ramamurty教授和J. Eckert教授合作研究发现：当非晶内生复合材料中β-Ti相具有临界的亚稳定性时（即在拉伸载荷作用下内生β相既不能保持稳定也不会转变为α'或α＂马氏体相），则非晶内生复合材料的应力-应变曲线上会出现明显的锯齿流变行为，见图1。

图1：非晶内生亚稳β-Ti复合材料的微观组织和拉伸应力-应变曲线

这与之前报道的非晶内生复合材料的拉伸力学行为明显不同，而是类似于单相非晶合金在压缩载荷作用下的锯齿流变行为，并且该非晶内生复合材料在拉伸中的锯齿大小累积分布也服从类似的幂律分布规律。该非晶内生复合材料呈现剪切破坏模式，拉伸破坏后的微观组织中变形带同时贯穿了β-Ti枝晶和局域非晶基体，见图2。

图2：拉伸破坏后样品的微观组织，可见协同剪切的变形带贯穿枝晶与非晶基体

β-Ti枝晶中的变形带主要由ω-Ti相组成，厚度约为10nm，表明亚稳β相在变形过程中转变为了ω相。非晶内生复合材料的锯齿行为起源于这种新的塑性变形机制：非晶基体中剪切带与亚稳β-Ti枝晶中ω-Ti带的协同剪切机制。剪切带与ω-Ti带的协同剪切可以在单个枝晶的局域范围（数十微米）内引发剪切失稳，但协同剪切变形带会被周围不同晶体取向的β-Ti枝晶所抑制。剪切带/ω-Ti带的协同剪切不断被激发和抑制导致了非晶内生复合材料出现了拉伸锯齿行为。ω带的产生与协同剪切过程的高应变速率（可高达~103 s-1）有关，高应变速率激发1/2<111>β全位错，由于ω相的自由能相对于亚稳β相更低，全位错分解为两个1/12<111>β和一个1/3<111>β不全位错，实现β相到ω相转变，见图3。

图3：β到ω的相转变以及非晶内生复合材料中剪切带与ω-Ti带的协同剪切机制

这种协同剪切机制与内生β相的亚稳定性密切相关。剪切带与ω带协同剪切机制的发现不仅丰富了非晶复合材料的变形机制，也为开发兼具拉伸塑性和剪切破坏方式的高释能非晶内生复合材料提供了理论基础。

该工作近日以“非晶内生亚稳β-Ti复合材料中的协同剪切（Cooperative Shear in Bulk Metallic Glass Composites Containing Metastableβ-Ti Dendrites）”为题发表在Physical Review Letters 125 (2020) 055501上。该研究工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、“兴辽英才计划”等项目的支持。

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