【儀表網 研發快訊】金屬材料通常以原子排列長程有序的晶態方式存在，但在快速凝固等制備條件下，非晶態也是金屬材料的重要存在方式。具有“非晶-晶體”雙相結構的非晶合金復合材料可以兼具非晶態和晶態金屬材料的性能特征，因此受到廣泛關注。其中，Ti基非晶合金內生β-Ti復合材料因具有較大的非晶形成臨界尺寸、出色的微觀組織可控性、多樣的微觀變形機制、優異的力學性能和物理化學特性，在航空航天、軍事裝備、石油化工、機器人、新能源等領域具有廣闊的應用前景。過去十余年，中國科學院金屬研究所科研人員圍繞Ti基非晶合金內生β-Ti復合材料開展了深入系統的研究，取得的重要進展主要包括：
 

　　1.非晶合金復合材料的形成機理研究。建立了非晶內生β-Ti復合材料的“兩相準平衡凝固理論”，為調控這類復合材料的微觀組織提供了理論基礎 [Sci. Rep. 6 (2016) 19235]；發現了特定亞穩β-Ti合金的晶粒內部出現非晶相，提出了“馬氏體非晶化”固態相變新機制，研發了具有晶內非晶相的新型非晶合金復合材料 [Nat. Commun. 9 (2018) 506]；發現了凝固過程中過冷熔體對內生亞穩β-Ti晶體的負熵穩定效應，并揭示了其對復合材料中相結構演化的影響 [Scripta Mater. 125 (2016) 19]；研究了連續升溫過程中“非晶-晶體”雙相復合材料的形成過程，并建立了連續升溫轉變相圖 [Scripta Mater. 254 (2025) 116339]。
 

　　2.非晶合金復合材料的微觀組織調控研究。基于“兩相準平衡凝固理論”，實現了對內生β-Ti晶體的尺寸大小、相穩定性、體積分數的調控，并明晰了微觀組織對室溫拉伸性能的影響規律 [Acta Mater. 168 (2019) 24]；揭示了非晶合金復合材料屈服強度對內生β-Ti相亞穩定性的敏感性，并實現了對內生β-Ti相亞穩定性的精細調控 [Scripta Mater. 173 (2019) 11]；通過“室溫-低溫”循環熱處理，實現了對復合材料中非晶基體能量狀態的調控，發現了循環熱處理次數對非晶基體能量狀態的非單調性影響規律，并揭示了非晶基體能量狀態對復合材料的韌性有顯著影響 [J. Mater. Sci. Technol. 140 (2023) 210; Scripta Mater. 228 (2023) 115340]。
 

　　3.“非晶-晶體”雙相協同變形機制研究。揭示了內生亞穩β-Ti晶體中不全位錯滑動導致出現ω-Ti帶，晶體中ω-Ti帶可與非晶剪切帶連貫地傳遞剪切應變，實現了“非晶-晶體”協同剪切變形，該發現不僅豐富了材料塑性變形機制，也為開發兼具拉伸塑性和剪切破壞方式的高釋能非晶合金復合材料提供了理論基礎 [Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 055501]；發現了非晶合金復合材料中晶體的不同變形機制可以顯著改變非晶剪切帶的性質與行為，在粗大馬氏體板條作用下，非晶剪切帶厚度不斷增加，不再熟化，并在擴展中傾向分叉，提出了“剪切帶鈍化”新概念，為通過剪切帶性質調控非晶合金復合材料的性能奠定了理論基礎 [Acta Mater. 241 (2022) 118422]。
 

　　4.非晶合金復合材料的性能優化研究。基于非晶相和形狀記憶β-Ti相不同的低溫性質，開發了隨溫度降低(室溫至143 K)，拉伸強度與塑性同時提高的非晶合金復合材料 [Acta Mater. 222 (2022) 117444]；對比了在I型和II型加載方式下，非晶合金復合材料的斷裂韌性和破壞過程，為進一步提高非晶合金復合材料的斷裂韌性奠定了基礎 [Acta Mater. 213 (2021) 116963]；成功克服了非晶合金與非晶合金復合材料的低溫脆性，開發了低溫下(77 K-100 K)具有目前報道最高沖擊韌性的非晶合金復合材料 [Acta Mater. 229 (2022) 117827]。
 

　　中國科學院金屬研究所前沿材料研究部張龍研究員與東北大學張海峰教授合作，系統總結了近年來非晶合金復合材料領域的研究進展，以“Ti-based metallic glass composites containing β-Ti dendrites”為標題的長篇綜述論文于近日發表在Progress in Materials Science上。該工作得到了國家自然科學基金項目、重點研發計劃青年科學家項目、中科院青促會會員項目、遼寧省優青項目等資助。
 

　　全文鏈接
 

圖1. 非晶合金復合材料的“兩相準平衡凝固理論”
 

圖2. 對非晶合金復合材料中內生β-Ti晶體尺寸大小的調控
 

圖3. 對非晶合金復合材料中內生β-Ti相穩定性的調控及其對宏觀拉伸性能的影響
 

圖4. 晶體馬氏體相變作用下非晶剪切帶的鈍化效應