超高強(qiáng)塊體非晶合金的研究進(jìn)展?

魏新權(quán) 畢甲紫 李然

(北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

超高強(qiáng)塊體非晶合金的研究進(jìn)展?

魏新權(quán) 畢甲紫 李然?

(北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

(2017年6月8日收到;2017年7月16日收到修改稿)

研制具有極限力學(xué)性能的金屬材料一直是材料研究人員的夢(mèng)想.超高強(qiáng)塊體非晶合金是一類(lèi)具有極高斷裂強(qiáng)度(≥4 GPa)、高熱穩(wěn)定性(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常高于800 K)和高硬度(通常高于12 GPa)的新型先進(jìn)金屬材料,其代表合金材料Co-Ta-B的斷裂強(qiáng)度可達(dá)6 GPa,為目前公開(kāi)報(bào)道的塊體金屬材料的強(qiáng)度記錄值.本文系統(tǒng)地綜述了該類(lèi)超高強(qiáng)度塊體非晶合金的組分、熱學(xué)性能、彈性模量及力學(xué)性能,闡述了該類(lèi)材料的研發(fā)歷程;以彈性模量為聯(lián)系橋梁,闡明了該類(lèi)超高強(qiáng)塊體非晶合金材料各物理性能的關(guān)聯(lián)性,并揭示了其高強(qiáng)度、高硬度的價(jià)鍵本質(zhì).相關(guān)內(nèi)容對(duì)于材料工作者了解該類(lèi)超高強(qiáng)度金屬材料的性能和特點(diǎn),并推進(jìn)該類(lèi)材料在航空航天先進(jìn)制造、超持久部件、機(jī)械加工等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用有著重要意義.

塊體非晶合金,超高強(qiáng)材料,性能關(guān)聯(lián),材料設(shè)計(jì)

1 引 言

自人類(lèi)開(kāi)始利用材料以來(lái),金屬材料以其良好的力學(xué)性能(如高強(qiáng)度、可延展、適中的硬度等)和優(yōu)異的加工成形性,在建筑、交通、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,一直是人類(lèi)社會(huì)不可或缺的原材料[1].然而,近年來(lái)隨著以纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料為代表的新型高比強(qiáng)材料在先進(jìn)制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用(如:復(fù)合材料在波音787和空客A350中的占比已達(dá)到和超過(guò)50%),大大壓縮了金屬材料的使用空間[1,2].因此,如何在已有合金體系中(合金密度無(wú)法顯著降低的情況下),找尋具有極限力學(xué)性能(如超高強(qiáng)度、硬度等)的新型金屬材料一直是先進(jìn)制造研究領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急[2].

晶態(tài)金屬材料一直是先進(jìn)制造領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重點(diǎn),以晶態(tài)鋼鐵材料為例,長(zhǎng)期以來(lái)人們采用元素合金化、機(jī)械變形、相組織控制等多種組分調(diào)控和制備加工手段,實(shí)現(xiàn)了晶態(tài)鋼鐵材料的強(qiáng)度極限從MPa量級(jí)提高至GPa量級(jí)的飛躍,從而促使該類(lèi)材料得以廣泛應(yīng)用[1,3].近期,德國(guó)研究人員通過(guò)采用劇烈冷拔加工并結(jié)合優(yōu)化熱處理工藝獲得了納米組織有序可控且極限強(qiáng)度高達(dá)6.8 GPa的過(guò)共晶珠光體鋼絲(直徑:20—30μm),刷新了晶態(tài)鋼鐵類(lèi)材料的極限強(qiáng)度紀(jì)錄[4,5].然而,相對(duì)苛刻的相組織控制條件(納米滲碳體有序析出控制)和復(fù)雜的后期加工處理工藝(需多步冷拔加工和嚴(yán)格的后期熱處理)以及樣品尺寸塊體化帶來(lái)的極限力學(xué)性能的嚴(yán)重降低(當(dāng)直徑增大至1 mm,其極限強(qiáng)度降低至2 GPa左右)等問(wèn)題妨礙了晶態(tài)材料更加廣泛的應(yīng)用.

與傳統(tǒng)的晶態(tài)金屬材料相比,塊體非晶合金材料(直徑大于等于1 mm的合金樣品)具有獨(dú)特的短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的原子排列結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分均勻無(wú)晶界、相界偏析的微觀結(jié)構(gòu)特征,使其在鑄態(tài)條件下具備優(yōu)異的力學(xué)性能[6],如高強(qiáng)度(相近組分的非晶合金強(qiáng)度是晶態(tài)合金的2—3倍,大約為其楊氏模量E的1/50)、高硬度(維氏硬度大約為E的1/2)、大彈性變形極限(約2%)以及良好的耐磨特性等[6,7];此外,塊體非晶合金均為近共晶組分,且其過(guò)冷液體具有較高的熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性,使該類(lèi)合金具有優(yōu)異的鑄造流動(dòng)性和熱塑成形性.更難得的是塊體非晶合金對(duì)其溶質(zhì)元素的種類(lèi)和含量包容性強(qiáng),其組分可在多組元大范圍調(diào)整,從而使該類(lèi)單相材料更易實(shí)現(xiàn)組分優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能調(diào)控,并實(shí)現(xiàn)單一材料的多功能化[8].因此,塊體非晶合金是用于研制具有超高強(qiáng)度金屬材料的理想模型體系[9].

2 超強(qiáng)塊體非晶合金的發(fā)展歷程

自20世紀(jì)70年代中期具有三維尺寸的毫米量級(jí)的塊體非晶合金(Pt,Pd基非晶合金)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)[10?12],研制新型高強(qiáng)度塊體非晶合金的探索工作就從未停止,該類(lèi)材料的極限強(qiáng)度記錄也不斷被刷新.對(duì)于最早被發(fā)現(xiàn)的兩類(lèi)非貴金屬基塊體非晶合金[12?14],即La基塊體非晶合金(1989年,典型成分為L(zhǎng)a55Al25Ni20)和Mg基塊體非晶合金(1991年,典型成分為Mg65Cu25Y10),其壓縮斷裂強(qiáng)度均小于1 GPa(在0.6—0.8 GPa左右),楊氏模量在40—60 GPa左右,與傳統(tǒng)高強(qiáng)晶態(tài)金屬材料相比,其強(qiáng)度性能并無(wú)顯著優(yōu)勢(shì),且這兩類(lèi)材料在室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下均無(wú)明顯的塑性變形,表現(xiàn)為脆性斷裂特征,這極大地限制了該類(lèi)材料的應(yīng)用范圍.

隨后,以Zr-Al系(1991年,典型成分為Zr65Al7.5Ni10Cu17.5和Zr55Al10Ni5Cu30)[15,16]和Zr-Be系 (1993年,典型成分為Zr41Ti14Cu12.5Ni10-Be22.5)[17]為代表的兼具高玻璃形成能力和優(yōu)異力學(xué)性能的新型塊體非晶合金被研制出來(lái),其壓縮斷裂強(qiáng)度可接近2 GPa(大約在1.5—1.8 GPa之間),楊氏模量在80—100 GPa左右,且該類(lèi)材料在室溫狀態(tài)下表現(xiàn)出一定的壓縮塑性和較好的斷裂韌性,因此,該類(lèi)非晶合金作為新一代結(jié)構(gòu)材料被眾多領(lǐng)域研究人員所關(guān)注.之后,探索具有高強(qiáng)度的非晶合金組分成為塊體非晶合金力學(xué)性能研究的主要方向之一.1995年,研究人員在Fe-Al-Ga-P-C-B系合金中發(fā)現(xiàn)了斷裂強(qiáng)度可達(dá)3.3 GPa的高強(qiáng)塊體非晶合金材料,其楊氏模量為160 GPa左右,該非晶合金的強(qiáng)度已遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)已知具有最高強(qiáng)度的塊體晶態(tài)合金材料(高合金鋼約2.4 GPa)[18].

2003年,研究人員又成功地研發(fā)出了Co-Fe-Ta-B塊體非晶合金,該Co基塊體非晶合金材料的斷裂強(qiáng)度達(dá)5.2 GPa,楊氏模量268 GPa和600 N.m/g的比強(qiáng)度,創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)塊體金屬材料已知的最高強(qiáng)度、比強(qiáng)度的記錄[19],這也是首次將塊體金屬材料的強(qiáng)度極限推進(jìn)至5 GPa.隨后,又有多個(gè)超高強(qiáng)塊體非晶合金體系被相繼開(kāi)發(fā)出來(lái),其中最具代表性的為2004年報(bào)道的兼具高強(qiáng)度(4—5 GPa)和軟磁特性的(Fe,Co)-Nb-Si-B系塊體非晶合金[20,21],以及2011年報(bào)道的具有超高玻璃形成能力(臨界直徑可達(dá)15 mm)且斷裂強(qiáng)度達(dá)到5 GPa的(Co-Fe)-Cr-Mo-(C-B)-Ln系塊體非晶合金[22].由于在此之前公開(kāi)報(bào)道的塊體金屬材料(晶態(tài)或者非晶態(tài))的強(qiáng)度均未超過(guò)3.5 GPa,因此,日本東北大學(xué)的井上研究組將這類(lèi)斷裂強(qiáng)度超過(guò)4 GPa的新型Co基、Fe基等塊體非晶合金統(tǒng)稱(chēng)為“超高強(qiáng)”塊體非晶合金材料[23],而本文中將沿用這一概念,定義超高強(qiáng)塊體非晶合金是一類(lèi)具有極高強(qiáng)度的先進(jìn)金屬材料,其斷裂強(qiáng)度高于4 GPa,且具有良好熱穩(wěn)定性和高硬度.

2011年,我們成功地研制出斷裂強(qiáng)度達(dá)6 GPa、比強(qiáng)度達(dá)到650 N.m/g的Co-Ta-B系塊體非金合金材料,創(chuàng)造了目前已報(bào)道的塊體金屬材料的最高強(qiáng)度記錄[24],這也是第一次將塊體金屬材料的強(qiáng)度極限提高至6 GPa,相關(guān)結(jié)果一經(jīng)發(fā)表使引起了科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.隨后,Co-Nb-B系塊體非晶合金被開(kāi)發(fā)出來(lái)[25],其斷裂強(qiáng)度可達(dá)4.7—5.3 GPa,也是目前為數(shù)不多的強(qiáng)度超過(guò)4 GPa的超高強(qiáng)塊體非晶合金體系之一.

研制具有極限高強(qiáng)度的新型塊體非晶合金一直是研究人員的夢(mèng)想,在短短不到三十年時(shí)間里,塊體非晶合金的極限強(qiáng)度由0.6 GPa增長(zhǎng)至6 GPa,其強(qiáng)度值提升了10倍.表1中列出了目前已報(bào)道的各種Co基、Fe基超高強(qiáng)塊體非晶合金的組分、玻璃形成能力(臨界玻璃形成直徑dc)、熱性能(玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg、結(jié)晶化開(kāi)始溫度Tx、熔化溫度Tm、液相線溫度Tl)、彈性常數(shù)(楊氏模量E、剪切模量G、體模量B、泊松比ν)、維氏硬度(HV)和壓縮力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度σy、斷裂強(qiáng)度σf、塑性變形εp).該類(lèi)塊體非晶合金還兼具高的硬度(維氏硬度:11—17 GPa)、大彈性極限(約2%)、相對(duì)低的液相線溫度(1300°C以下)、良好的鑄造成形性等優(yōu)點(diǎn),其鑄態(tài)樣品不用通過(guò)后續(xù)的熱處理或變形處理即可具備優(yōu)異的力學(xué)性能,可以通過(guò)近成形的制備方法獲得結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的試樣,從而實(shí)現(xiàn)高性能構(gòu)件的短流程快速制造.

表1 超高強(qiáng)塊體非晶合金的玻璃形成能力、熱學(xué)性能、彈性模量和力學(xué)性能Table 1.The glass-forming ability,thermal properties,elasticmoduli,andmechanicalpropertiesofthe reportedultrahigh strengthbulkmetallicglasses weknown sofar.

表1 超高強(qiáng)塊體非晶合金的玻璃形成能力、熱學(xué)性能、彈性模量和力學(xué)性能(續(xù))Table 1.The glass-forming ability,thermal properties,elasticmoduli,andmechanicalpropertiesofthe reportedultrahigh strengthbulkmetallicglasses weknown sofar(continued).

3 超高強(qiáng)塊體非晶合金的物性關(guān)聯(lián)

隨著塊體非晶合金極限力學(xué)性能的不斷提高,該類(lèi)合金越來(lái)越多地被作為模型材料用于研究合金組分與其物理性能的關(guān)聯(lián),人們期望通過(guò)合金組分設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)塊體非晶合金的強(qiáng)度、硬度、模量等力學(xué)性能的調(diào)控,從而獲得超高強(qiáng)度和比強(qiáng)度、高耐磨、高持久的金屬材料.然而,由于非晶合金原子排列結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和未知性,采用傳統(tǒng)晶態(tài)合金的組分設(shè)計(jì)方式(即從合金的組分和結(jié)構(gòu)信息出發(fā)預(yù)測(cè)材料的物理性能的方法)來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)控塊體非晶合金的力學(xué)性能存在很大難度.表1中獲得的超高強(qiáng)塊體非晶合金組分絕大部分是采用試錯(cuò)的方法,通過(guò)不斷嘗試制備不同成分的樣品,積累獲得優(yōu)選結(jié)果.因此,找尋并揭示非晶合金物性關(guān)聯(lián)方式,并建立有效的超高強(qiáng)塊體非晶合金組分設(shè)計(jì)方法一直是本領(lǐng)域研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一.

圖1展示了傳統(tǒng)典型的晶態(tài)合金和各種類(lèi)代表性的非晶合金(包括超高強(qiáng)塊體非晶合金)的斷裂強(qiáng)度σf與楊氏模量E的關(guān)系.如圖所示,相比于同組分的晶態(tài)合金,非晶合金由于其原子排布的特殊性,使其具有略低的楊氏模量[38];然而,由于非晶合金無(wú)晶界、相界和位錯(cuò)等缺陷,表現(xiàn)為整體均一的特性,使其具有更高的彈性變形極限,從而使該類(lèi)材料展現(xiàn)出比同類(lèi)晶態(tài)金屬材料更高的斷裂強(qiáng)度,約為楊氏模量(E)的1/50,接近材料的理論斷裂強(qiáng)度(E/10),而傳統(tǒng)的晶態(tài)材料的斷裂強(qiáng)度僅為E/150[7,9],因此,在塊體非晶合金體系中更易探索獲得超高強(qiáng)度的金屬材料.值得注意的是塊體非晶合金的強(qiáng)度與其楊氏模量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)聯(lián),換言之,找尋超高強(qiáng)度的塊體非晶合金需從具有“超高的”楊氏模量的合金入手.

圖1 多種典型塊體非晶合金和晶態(tài)合金的斷裂強(qiáng)度與楊氏模量的關(guān)系[37]Fig.1.The relationship between the Young’s modulus and fracture strength for various kinds of typical bulk metallic glasses and commercial crystalline alloys[37].

事實(shí)上,國(guó)內(nèi)外已有的大量研究結(jié)果表明,非晶合金的彈性常數(shù)(E,G,B和ν)與其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、硬度、強(qiáng)度和斷裂能等多種物理性能存在良好的定量化關(guān)聯(lián)[7,9,39?44].然而,大部分研究受時(shí)間所限,采用的塊體非晶合金研究體系未包括或僅少量包括了已報(bào)道的超高強(qiáng)度塊體非晶合金體系,該類(lèi)材料正好具有模型評(píng)估的各個(gè)物理量的上限值,因此,本文中將目前已報(bào)道的超高強(qiáng)度塊體非晶合金重新納入已有的幾類(lèi)模型中,評(píng)估和驗(yàn)證該類(lèi)模型的有效性.

2007年,Egami等[43]從非晶合金的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征出發(fā),基于局部彈性能改變推導(dǎo)提出了一個(gè)經(jīng)典的普適性模型,該模型將各類(lèi)非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)與其彈性常數(shù)(體模量B和泊松比ν)建立了定量化關(guān)聯(lián):

Johnson和Samwer[44]基于材料的剪切屈服強(qiáng)度大小是由合金內(nèi)部原子團(tuán)簇的臨界剪切運(yùn)動(dòng)決定的這一觀點(diǎn),給出了非晶合金的剪切強(qiáng)度(τy= σy/2)與其剪切模量(G)的線性定量化關(guān)系式:其中γc為臨界剪切應(yīng)變值.他們總結(jié)分析了不同體系的30種塊體非晶合金剪切強(qiáng)度和剪切模量的數(shù)據(jù),得出在室溫下這些非晶合金的τy與G之間存在線性關(guān)系,其γc為0.0267±0.0020.我們將超高強(qiáng)塊體非晶合金的數(shù)據(jù),結(jié)合其他各類(lèi)11種典型的塊體非晶合金的強(qiáng)度模量數(shù)據(jù)做圖[9,21?36],根據(jù)(2)式進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖3所示.

圖2 多種典型塊體非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與彈性常數(shù)的關(guān)系[9,21?36]Fig.2.The relationship between glass transition temperature and elastic constants for various typical bulk metallic glasses[9,21?36].

圖3 多種典型非晶合金的剪切強(qiáng)度和剪切模量的關(guān)系[9,21?36]Fig.3. Therelationship between shearstress and shear modulus for various typical bulk metallic glasses[9,21?36].

文獻(xiàn)報(bào)道的強(qiáng)度和模量的結(jié)果均基本符合(2)式的線性關(guān)聯(lián),擬合得到的 γc=0.0280±0.0015,稍高于之前的文獻(xiàn)報(bào)道值.此外,從圖3中可知,斷裂強(qiáng)度高于4 GPa的超高強(qiáng)度塊體非晶合金具有高的剪切模量,通常高于75 GPa,且剪切模量越高,其剪切屈服強(qiáng)度越高.因此,研制具有超高剪切模量和楊氏模量的塊體非晶合金可以作為指導(dǎo)開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)塊體非晶合金的主要設(shè)計(jì)思路.

2005年,汪衛(wèi)華[7,9]在總結(jié)了大量非晶合金楊氏模量與硬度的數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)對(duì)于該類(lèi)材料的硬彈比(即維氏硬度HV與楊氏模量E的比值)大致為恒定值:

同樣,將總結(jié)獲得的超高強(qiáng)高硬度的塊體非晶合金的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)典型非晶合金數(shù)據(jù)繪于圖4中,可見(jiàn)HV與E基本呈現(xiàn)線性關(guān)聯(lián).通過(guò)線性擬合可以到其斜率為0.06215,稍高于0.05.對(duì)于斷裂強(qiáng)度高于4 GPa的超高強(qiáng)塊體非晶合金,其楊氏模量均高于200 GPa,并展現(xiàn)出高于12 GPa的顯微硬度值,該類(lèi)材料兼具高硬彈比和與陶瓷材料接近的硬度值,在機(jī)械加工、高耐磨超持久部件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

圖4 多種典型非晶合金的楊氏模量與維氏硬度的相關(guān)性[9,21?36]Fig.4.The relationship between Young’s modulus and Vickers hardness for various typical bulk metallic glasses[9,21?36].

綜上所述,超高強(qiáng)塊體非晶合金的特征溫度、力學(xué)性能均與其彈性模量之間存在定量化關(guān)聯(lián),這些物理性能關(guān)聯(lián)對(duì)該類(lèi)材料的成分性能設(shè)計(jì)以及相關(guān)應(yīng)用有重要意義.

4 超高強(qiáng)塊體非晶合金的組成和價(jià)鍵特征

如上所述,高模量是這類(lèi)超高強(qiáng)Co基和Fe基塊體非晶合金的典型特征.這兩類(lèi)塊體非晶合金基體元素的彈性模量為所有已經(jīng)公開(kāi)報(bào)道的塊體非晶合金基體元素的最高水平,其中Fe單質(zhì)的楊氏模量為221 GPa,Co單質(zhì)的楊氏模量為209 GPa.根據(jù)彈性模量的“混合法則”[9],體系中存在大比例高模量的金屬組元有利于整體合金的彈性模量提升.此外,觀察表1中超高強(qiáng)塊體非晶合金組分的特點(diǎn)可知,基體中除含有大量高模量金屬元素(如Co,Fe,Ta,Mo,Nb等)外,還引入了大比例的高共價(jià)鍵特性的類(lèi)金屬元素(如B,C,Si等,通常比例達(dá)20%以上),這類(lèi)金屬合金中的類(lèi)共價(jià)鍵結(jié)合特征是其高模量和超高強(qiáng)度性能的主要原因.

我們研究組[27]針對(duì)Co54Ta11B35這一高模量(楊氏模量280 GPa)、高硬度(維氏硬度17.1 GPa)的塊體非晶合金組分進(jìn)行了第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算,該非晶合金計(jì)算的原子排布和電荷密度分布情況如圖5所示.

圖5 (a)通過(guò)第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的Co54Ta11B35非晶合金的原子結(jié)構(gòu);(b)Co54Ta11B35非晶合金的電荷密度;其中藍(lán)色中球表示Co,紫色大球表示Ta,粉色小球表示B[27]Fig.5. (a)Atomic structure of Co54Ta11B35obtained by ab initiomoleculardynamicssimulations;(b)charge density distribution(in e/?3)in Co54Ta11B35.The blue(middle),purple(large),and pink(small)bullets indicate Co,Ta,and B atoms,respectively[27].

從計(jì)算結(jié)果可知該合金的高模量可以通過(guò)其電子結(jié)構(gòu)特征來(lái)解釋.計(jì)算得到的B原子的凈電荷數(shù)在?0.03 e到?0.66 e,說(shuō)明B原子有著強(qiáng)烈的吸引電子的能力;Co和B原子的電荷密度顯示了其具有Co 3d和B 2p的軌道雜化,該結(jié)果清楚地表明了Co—B鍵間存在明顯的共價(jià)鍵的成分,此外一些B—B鍵也存在固定的鍵角特性.因此,體系中存在的大量的Co—B和B—B共價(jià)鍵組分決定了該類(lèi)合金具有高模量、高硬度和高強(qiáng)度特性.

5 小 結(jié)

全面介紹了目前已公開(kāi)報(bào)道的具有超高強(qiáng)度(4 GPa以上)的塊體非晶合金的主要代表性組分和相關(guān)優(yōu)異熱學(xué)、力學(xué)性能;并歷數(shù)了該類(lèi)超高強(qiáng)材料的發(fā)展過(guò)程;詳細(xì)地驗(yàn)證了超高強(qiáng)塊體非晶合金的特征溫度、彈性模量、硬度和力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性和已有模型的有效性;并對(duì)該類(lèi)材料的超高強(qiáng)度、硬度和模量的結(jié)構(gòu)本源進(jìn)行了解釋.該綜述對(duì)于相關(guān)研究工作者了解這類(lèi)具有超高強(qiáng)度的金屬材料的發(fā)展、理解其性能關(guān)聯(lián)機(jī)理和強(qiáng)度本質(zhì)有一定的幫助,對(duì)于推進(jìn)該類(lèi)材料在航空航天工業(yè)先進(jìn)制造、超持久部件、機(jī)械加工等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義.

[1]Ashby MF 2005 Materials Selection in Mechanical Design(Third Edition)(Butterworth-Heinemann)pp1–9

[2]Lu K 2010 Science 328 319

[3]Morris Jr J W,Guo Z,Krenn C R,KiMY H 2001 ISIJ International 41 599

[4]Li Y,Raabe D,Herbig M,Choi P P,Goto S,Kostka A,Yarita H 2014 Phys.Rev.Lett.113 106104

[5]Li Y J,Choi P,Goto S Borchers C,Raabe D,KirchheiMR 2012 Acta Mater.60 4005

[6]Ashby MF,Greer A L 2006 Scripta Mater.54 321

[7]Wang W H 2005 J.Non-Cryst.Solids 351 1481

[8]Inoue A 2000 Acta Mater 48 279

[9]Wang W H 2012 Prog.Mater.Sci.57 487

[10]Chen H S 1974 Acta Metall.22 1505

[11]Drehman A J,Greer A L,Turnbull D 1982 Appl.Phys.Lett.41 716

[12]Inoue A,Zhang T,Masumoto T 1989 Mater.Trans.JIM30 965

[13]Inoue A,Zhang T,Masumoto T 1990 Mater.Trans.JIM31 425

[14]Inoue A,Kato A,Zhang T 1991 Mater.Trans.JIM32 609

[15]Zhang T,Inoue A,Masumoto T 1991 Mater.Trans.JIM32 1005

[16]Inoue A,Zhang T 1996 Mater.Trans.JIM37 185

[17]Peker A,Johnson W L 1993 Appl.Phys.Lett.63 2342

[18]Inoue A Shinohara1 Y,Gook J S 1995 Mater.Trans.JIM36 1427

[19]Inoue A,Shen B L,Koshiba H,Kato H,Yavari A R 2003 Nature Mater.2 661

[20]Chang C T,Shen B L,Inoue A 2006 Appl.Phys.Lett.88 011901

[21]Inoue A,Shen B L,Koshiba H,Kato H,Yavari A R 2004 Acta Mater.52 1631

[22]Zhang T,Yang Q,Ji Y F,Li R,Pang S J,Wang J F,Xu T 2011 Chin.Sci.Bull.56 3972

[23]Inoue A,Shen B L,Chang C T 2006 Intermetallics 14 936

[24]Wang J Li R,Hua N B,Zhang T 2011 J.Mater.Res.26 2072

[25]Dun T T,Liu H S,Shen B L 2012 J.Non-Cryst.Solids 358 3060

[26]Wang J F,Wang L G,Guan S K,Zhu S J,Li R,Zhang T 2014 J.Alloys Compod.617 7

[27]Wang J F,Li R,Xiao R J,Xu T,Li R,Liu Z Q,Huang L,Hua N B,Li G,Li Y C,Zhang T 2011 Appl.Phys.Lett.99 151911

[28]Man Q K,Sun H J,Dong Y Q,Shen B L,Kimura H,Makino A,Inoue A 2010 Intermetallics 18 1876

[29]Dong Y Q,Wang A D,Man Q K,Shen B L 2012 Intermetallics 23 63

[30]Shen B L,Inoue A,Chang C T 2004 Appl.Phys.Lett.85 4911

[31]Lin C Y,Li MC,Chin T S 2007 J.Phys.D:Appl.Phys.40 310

[32]Yao J H,Wang J Q,Li Y 2008 Appl.Phys.Lett 92 251906

[33]Yao J H,Yang H,Zhang J,Wang J Q,Li Y 2008 J.Mater.Res.23 392

[34]Chang Z Y,Huang X M,Chen L Y,Ge MY,Jiang Q K,Nie X P,Jiang J Z 2009 Mater.Sci.Engineer.A 517 246

[35]Park J M,Wang G,Li R,Mattern N,Eckert J,KiMD H 2010 Appl.Phys.Lett.96 031905

[36]Gu X J,Joseph P S,Shi fl et G J 2007 J.Mater.Res.22 344

[37]Wei X Q 2017 M.S.Dissertation(Beijing:Beihang University)(in Chinese)[魏新權(quán) 2017碩士學(xué)位論文 (北京:北京航空航天大學(xué))]

[38]Schuh C A,Hufnagel T C,Ramamurty U 2007 Acta Mater.55 4067

[39]Liu Z Q,Wang R F,Qu R T,Zhang Z F 2014 J.Appl.Phys.115 203513

[40]Chen X Q,Niu H,Li D,Li Y 2011 Intermetallics 19 1275

[41]Liu Y H,Wang G,Wang R J,Zhao D Q,Pan MX,Wang W H 2007 Science 315 1385

[42]Lewandowski J J,Wang W H,Greer A L 2005 Phil.Mag.Lett.85 77

[43]Egami T,Poon S J,Zhang Z,Keppens V 2007 Phys.Rev.B 76 024203

[44]Johnson W L,Samwer K 2005 Phys.Rev.Lett.95 95501

PACS:64.70.pe,62.20.de,91.60.Ki,62.20.–xDOI:10.7498/aps.66.176408

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.51131002),the Fok Ying-Tong Education Foundation for Young Teachers in the Higher Education Institutions of China(Grant No.142008),and the Beijing Natural Science Foundation,China(Grant No.2172034).

?Corresponding author.E-mail:liran@buaa.edu.cn

Development of ultrahigh strength bulk metallic glasses?

Wei Xin-Quan Bi Jia-ZiLi Ran?

(School of Materials Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

8 June 2017;revised manuscript

16 July 2017)

It is always desirable to develop bulk metal materials with extremely mechanical properties.Ultrahigh strength bulk metallic glass(BMG)is a kind of advanced metallic material with extremely high strength(above 4 GPa),high thermal stability(the glass transition temperature:normally above 800 K),and high hardness(normally above 12 GPa).A typical systeMof the ultrahigh strength BMG is Co-Ta-B alloy with a fracture strength of above 6 GPa,which is the highest value in the fracture strengths for all kinds of bulk metallic materials(including crystalline and amorphous ones)that we have known so far.In this paper,the compositions,thermal properties,elastic constants,and mechanical properties for all of the reported ultrahigh strength BMGs are summarized.The research progress of these BMGs is also introduced.The correlations among the characteristic temperature,elastic constants,hardness and mechanical properties are built,and the natures of chemical bonding for the ultrahigh strength and high hardness of these BMGs are revealed.The results relating to the structure and physical properties of this kind of ultrahigh strength BMG are signi fi cant for potential applications in advanced manufacture,super-durable components and machining.

bulk metallic glasses,ultrahigh strength,properties correlation,materials design

10.7498/aps.66.176408

?國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):51131002)、霍英東教育基金會(huì)青年教師基金應(yīng)用研究課題(批準(zhǔn)號(hào):142008)和北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2172034)資助的課題.

?通信作者.E-mail:liran@buaa.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn