Металлические стекла (MGs) благодаря своей уникальной беспорядочной микроструктуре обладают множеством выдающихся свойств, таких как высокая прочность и высокая вязкость разрушения, что обеспечивает им широкий потенциал применения в области конструкционных материалов. Кроме того, благодаря простому составу и микроструктуре аморфные сплавы рассматриваются как идеальные модели для изучения физики конденсированных сред, способствуя глубокому пониманию природы стеклообразного перехода и перепрохлаждённой жидкости. Поэтому металлические стекла привлекают не только повышенное внимание в инженерных приложениях, но и живой интерес исследователей в областях материаловедения, физики и механики. Однако одной из ключевых проблем металлических стёкол является отсутствие растяжимой пластичности при комнатной температуре. В отличие от традиционных кристаллических сплавов, где пластическая деформация определяется движением дислокаций, двойникованиями и фазовыми превращениями, у металлических стёкол деформация сильно локализована и быстро распространяется по основным зонам сдвига, что приводит к катастрофическому хрупкому разрушению материала под действием одноосного растягивающего напряжения. Такое отсутствие растяжимой пластичности при комнатной температуре существенно ограничивает возможности использования металлических стёкол в качестве высокопроизводительных конструкционных материалов.

В последние годы, несмотря на многочисленные инновационные достижения и заметный прогресс в понимании механизмов пластической деформации металлических стёкол и повышении их растяжимой пластичности, этот вызов по‑прежнему остаётся актуальным. Например, при изменении структуры локальных упругих мягких зон с помощью высокоэнергетического электронного облучения наблюдается пластическая деформация в направлении растяжения; после циклической обработки при низких температурах образцы металлических стёкол демонстрируют более высокую энтальпию релаксации и усиленную сжимающую пластичность; кроме того, блокирование распространения сдвиговых полос за счёт интерфейсов в нанопористых сплавах также эффективно повышает растяжимую пластичность материала. Помимо этого, введение специфических микродефектов — например, предварительно созданных надрезов, препятствующих формированию и распространению сдвиговых полос, а также формирование регулярных массивов микропор методом термопластической штамповки — позволяет надёжно контролировать локализацию деформации и растяжимую пластичность металлических стёкол. Хотя указанные подходы в определённой степени повышают пластичность металлических стёкол, вопрос о том, как далее оптимизировать их многоуровневую структуру для достижения ещё более высокой пластичности, по‑прежнему остаётся насущной задачей.

В связи с недостаточной пластичностью металлических стекол при растяжении при комнатной температуре исследовательские группы из Цзянсуского университета науки и технологий, Городского университета Гонконга и Шанхайского университета науки и технологий провели углублённое исследование с использованием системы неразрушающего in situ‑измерения на СЭМ компании «ZEPTOOLS». Они, сочетая термическую циклическую обработку и технологию высокочастотных вибраций, успешно получили циркониевое металлическое стекло с иерархической микро‑наноструктурой и существенно повысили его растяжимую пластичность при комнатной температуре. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Acta Materialia под названием «Иерархически микро‑наноструктурированное металлическое стекло на основе циркония с растяжимой пластичностью»; ссылка на оригинальную статью: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120553

Основное содержание данной работы сосредоточено на получении циркониевого металлического стекла (MG) с иерархической микро‑наноструктурой путём сочетания термического циклирования и высокочастотной вибрационной обработки, а также на систематическом изучении его растяжимой пластичности при комнатной температуре. Вначале исследовательская группа, осуществив многократные термические циклы между жидким азотом и комнатной температурой, добилась повышения структурной неоднородности металлического стекла на наноуровне. Затем, применяя технологию высокочастотной вибрации, на поверхности образцов, подвергнутых термическому циклированию, были созданы микронные массивы с низким модулем упругости, что позволило ввести дополнительную структурную неоднородность на микроскопическом уровне.

Исследовательская группа с помощью различных методов характеризации — рентгеновской дифракции (XRD), атомно‑силовой микроскопии (AFM), наноиндентирования и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) — подробно проанализировала изменения структуры и механических свойств образцов после различных этапов обработки. Результаты экспериментов показали, что у образцов, подвергнутых термическому циклированию, на нанометровом масштабе существенно возрастает структурная неоднородность, тогда как обработка высокочастотными вибрациями приводит к формированию на микромасштабном уровне микро‑массивов с низким модулем упругости. Эти структурные неоднородности не только влияют на механические свойства материала, но и значительно повышают его растяжимую пластичность при комнатной температуре.

Рис. (a–e): in situ‑изображения, полученные с помощью СЭМ, для металлического стекла Zr61Cu25Al12Ti2 при различных стадиях растягивающей нагрузки, демонстрирующие блокирование сдвиговых полос.

Для более глубокого понимания механизма пластической деформации материалов исследовательская группа провела расчеты методом конечных элементов и молекулярно‑динамическое моделирование. Результаты расчетов показали, что микрорешетки с низким модулем упругости на микромасштабе способны формировать сложное распределение напряжений, что подавляет распространение сдвиговых полос и стимулирует их разветвление; в то же время структурная неоднородность на наномасштабе активирует большее число деформационных единиц. Совместное действие этих факторов существенно повышает растяжимую пластичность материала. В итоге обработанное циркониевое металлическое стекло достигло растяжимой пластичности 0,68% при комнатной температуре, а в процессе растяжения были зафиксированы образование и блокирование множественных сдвиговых полос.

В заключение, путём сочетания термического циклического отжига и высокочастотной вибрационной обработки удалось успешно получить циркониевый металлический стекло с многоуровневой микро‑наноструктурой. Такая многоуровневая структура не только повышает структурную гетерогенность на наноуровне, но и на микроскопическом уровне вводит микрорешётку с низким модулем упругости; совместное действие этих факторов существенно улучшает растяжимую пластичность материала при комнатной температуре. Результаты экспериментов и численного моделирования позволили выявить механизмы активации, разветвления и блокировки сдвиговых зон в процессе пластической деформации, что обеспечивает важную теоретическую основу для понимания и оптимизации структурной гетерогенности и механизмов пластической деформации металлических стёкол.

На рисунке ниже представлен продукт компании Zeyou Technology — установка для растяжения в режиме in situ, использованная в рамках настоящего исследования: