导读：分形结构是枝晶固有的形态特征，在决定材料的机械性能方面起着至关重要的作用。在这项工作中，在具有分形结构的 TRIP （transformation-induced plasticity） 增强块状金属玻璃复合材料中揭示了稳定的马氏体形核机制。这一发现是数值模拟和实验调查的综合综合得出的。确定的稳定马氏体成核机制启动了马氏体转变和剪切带传播之间的阶段性相互作用，表示为“马氏体诱导的剪切带”和“剪切带诱导的马氏体”。这些由分形结构枝晶驱动的变形机制有助于在强度和延展性之间实现理想的平衡，这比传统的强度妥协以增强塑性更有利。对稳定的马氏体成核和阶段变形机制的深刻理解为这些材料的机械行为提供了重要的见解，从而促进了机械性能的调节，例如通过预紧处理。我们的研究结果促进了对 TRIP 增强块状金属玻璃复合材料中分形结构的基本理解，并为高性能材料的设计提供了新的视角。

块状金属玻璃复合材料 （BMGCs） 的制造特意掺入了结晶第二相，以阻止剪切带 （SB） 的快速传播并诱导多个 SBs，从而促进室温可塑性 .具体来说，具有变形诱导转变的原位形成的 BMGCs，被称为“TRIP（转变诱导塑性）增强 BMGCs”，因其卓越的拉伸延展性、增强的加工硬化能力和强大的界面组合而引起了人们的极大兴趣 。变形过程中由应力/应变诱导的马氏体转变 （MT） 引发的 BMGC 中的 TRIP 效应主要包括两种类型：基于 CuZr 或基于 NiTi 的 BMGC 经历 B2 到 B19' 的转变和基于 Ti/Zr 的 BMGC 经历 β 到 α“ 的转变 .

最近的研究集中在调控 MT 以进一步促进 BMGC 的可塑性。例如，研究人员已经调制了第二相以优化它们的稳定性、体积分数、晶粒尺寸、颗粒间距等。.尽管 TRIP 增强 BMGC 的塑性明显提高，但由于 MT 的临界应力较低，屈服强度同时降低。与基于 Ti/Zr 的 BMGC 相比，基于 CuZr 的 TRIP 增强型 BMGC 的强度降低更为明显。这两种 BMGCs 之间的主要区别在于第二相的形态，在 CuZr 基 BMGC 中是球形的，而在 Ti/Zr 基 BMGC 中是树枝状的。这种区别为通过探索形态特征的影响来解决强度-塑性权衡问题提供了机会，这可以通过分形几何进行定量描述。

分形几何是数学的一个专业分支，探索复杂和自相似的几何模式目前，分形理论已广泛应用于数学、物理、化学、力学和计算机科学等学科。事实上，材料中的枝晶表现出自然的分形结构，具有层次分形的枝晶臂和复杂的表面，提供了新的物理或化学特性，如在金属陶瓷、铝合金、钢和聚合物复合材料中观察到的那样.在结构材料领域，许多研究都集中在通过分形角度增强机械性能上。Farina等研究人员研究了用分形钛合金棒增强的水泥基复合材料的弯曲行为，由于分形棒和基体之间的互锁机制，弯曲强度显著提高了152%。此外，Zeng等人发现，分形结构使铝/氧化铝陶瓷复合材料的抗压强度提高了10.97%，扭转性能提高了17.45%。分形设计概念已被用于结构和功能材料的开发，标志着一种将软硬材料集成在一起的重要策略，例如在可穿戴电子设备中。因此，BMGC 中树突的分形几何形状是其机械性能不可忽视的因素，但这一方面尚未得到充分探索。

到目前为止，确定分形结构、微观结构演变和机械性能之间的关系仍然是一个挑战。直接观察微观结构演变，例如 SBs、自由体积和 MT，即使通过原位实验也带来了重大挑战。原位高能 X 射线衍射 （HEXRD） 或中子衍射可以提供结构信息，但在提供形态信息方面存在不足。相反，原位电子背散射衍射 （EBSD） 会产生取向和形貌信息，而无需准确捕获微应力。此外，这些微结构在变形过程中迅速产生，因此很难捕捉它们的演变过程。有限元分析作为一种补充方法，可以促进对这些复杂而快速的过程的研究。广泛的研究，再加上有限元法 （FEM） 模拟，表明应力/应变诱导的 MT 可以有效地使塑料流动均匀化并减轻准静态和动态载荷条件下的非晶功软化此外，已经发现了仅靠实验方法难以捉摸的某些变形机制。例如，Sun等人开发了一个基于Eshelby理论的微力学模型，该模型阐明了在应力/应变诱导的MT下，基于CuZr的BMGCs中形成三种类型的SBs。Wu等人证明，当B2相的原始体积分数保持不变时，均匀分布的较小尺寸的B2颗粒的存在会导致更均匀的拉伸延展性，而不会产生应变软化。因此，通过 FEM 探索分形结构和微观结构演化之间的相关性是相关的。然而，这需要开发一个更精确、更全面的 FEM 模型，以避免过度简化。

本研究基于扫描电子显微镜 （SEM） 显微照片建立了 TRIP 枝晶增强的 BMGCs 模型，准确描述了复合材料的分形结构特征。FEM 的材料参数来自原位 HEXRD 实验。基于这个精确的模型，研究分形结构枝晶对 MT 和 SB 演变的影响，这在决定材料的力学性能方面起着至关重要的作用。结果表明，枝晶的分形结构导致应力分布不均匀和局部应力集中，从而产生稳定的马氏体成核机制，随后促进 MT 和 SB 起始进入两个不同的阶段。这些变形机制解释了为什么在TRIP增强的Ti/Zr基BMGCS中，MT的早期阶段不会发生屈服，而CuZr基BMGCs在B2相的体积分数超过一定值时，复合材料的MT和宏观屈服几乎同时发生。通过采用分形设计理念，可以有效缓解第二阶段与 MT 结合而导致的屈服强度急剧下降。基于 MT 和 SB 扩展的稳定马氏体形核和阶段变形机制，阐明了导致 BMGCs 机械性能不同的不同预变形处理。因此，确定并推荐适当的变形前处理条件，以实现最佳机械性能。这项工作还突出了理解 BMGC 变形机制的新视角，即分形结构，并为设计高性能 BMGC 提供了有价值的见解。

有关此课题，东北大学、大连理工大学及北京科技大学的学者们对此进行了深入研究，相关成果以”A stabilized martensitic nucleation mechanism in TRIP-reinforced metallic glass composites with fractal structures”发表在Acta Materialia上

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425002332

图 1.原位同步加速器 HEXRD 测量的示意图实验装置。

图 2.（a） 铸态复合材料的 SEM 显微照片，包括显示分形维数计算曲线的插图。（b） 铸态样品的 1-D HEXRD 剖面，嵌入展开的 2-D 衍射图。（c） 断裂复合材料的 SEM 显微照片。（d） 断裂复合材料的 TEM 显微照片，插图显示 SAED 模式。

图 3.变形复合材料在 0.04 应变下的 EBSD 结果，（a） IPF 彩图，（b） 相图和 （c） KAM 图。

图 4.（a） 晶格应变分量沿载荷方向 （LD） 和横向 （TD） 的演变，作为载荷过程中施加的应力的函数。（b） 变形过程中 β 期和 α“ 期的不同 {hkl} 平面的微应力对施加应变的响应。

图 5.（a） 通过 SEM 捕获的当前复合材料的微观结构，以及 （b） 从 SEM 图像中提取的轮廓。（c） 基于复合材料实际微观结构的有限元模型，结合了以粉红色突出显示的树突的择优取向。（d） 网格生成的放大视图。

图 6.（a） 通过 FEM 模拟对树枝突、玻璃基体和复合材料的应力分配，以及复合材料的实验应力-应变曲线。（b） 加工硬化速率、枝晶中马氏体的归一化体积分数和玻璃基体中自由体积的模拟曲线，以及实验加工硬化速率曲线。（c） 最大的面内主应变场，以及 （d） 通过 FEM 模拟在 0.04 应变下变形复合材料的马氏体分布

图 7.（a） 马氏体在枝晶中的分布，以及 （b） 通过 FEM 模拟在 0.02 应变下变形复合材料的玻璃基体中的自由体积。（c） G1 的放大视图。（d） G2 的放大视图、G2 中轮廓的曲率以及曲率半径与 X 轴正之间的角度。（e） G1 中代表性枝晶的整个轮廓的曲率。

图 8.通过模拟 （a）、 （b）、 （c） ε=0.024、 （d）、 （e）、 （f） ε=0.030、 （g）、 （h）、 （i） ε=0.037、 （j）、 （k）、 （l） ε=0.050 处的玻璃基体中树突、自由体积和剪切带的马氏体转变程度。

图 9.EBSD 实验得到的 （a） 变形复合材料在 0.030 应变下的 IPF 图和 （b） 相图。（c） （b） 中黄色椭圆包围的枝晶整个轮廓的曲率。EBSD 实验得到的 （d） 在 0.037 应变下变形复合材料的 IPF 图和 （e） 相图。

图 10（a） {200}β 和 {200}α 的相对峰值强度相对于载荷方向的演变，作为 Ti 中施加应力的函数45.7锆33镍3铜5.8是12.5分形维数为 1.68 的 BMGC。（b） {110}B2 和 {020}B19' 的相对峰值强度相对于载荷方向的演变，作为 Cu 中施加的应力的函数47.5锆48到4公司0.5BMGCs 具有 75 %（T1） 和 25 %（T2） 的增强相体积分数，分形维数约为 1.18 [39] 版权所有 2016，爱思唯尔。

图 11.分形维数为 1.18 和 1.68 的 BMGC 的微观结构演变和变形机制示意图。

通过结合原位 HEXRD 实验和 FEM 模拟，探讨了分形结构对 TRIP 增强树枝状 BMGCs 微观结构演变和力学性能的影响。本研究的主要发现总结如下：

（1） 在弹性\塑性变形阶段，在分形维数高的第二阶段观察到稳定的马氏体形核，这与低分形维数的第二阶段的连续马氏体形核和生长机制有很大不同。

（2） 在塑性阶段，马氏体成核的稳定机制和分形结构诱导的多尺度微观结构产生了 MT 和 SBs 之间的阶段性相互作用，称为“马氏体诱导的 SBs”和“SB 诱导的马氏体”。在预塑阶段，在“马氏体诱导的 SBs”机制的支配下，低体积分数加上 SBs 和马氏体的均匀分布有助于高水平的强度。在后塑性阶段，主要由“SB 诱导马氏体”机制控制，多尺度枝晶尺寸和枝晶间距促进了渐进过程，从而产生扩展的 TRIP 效应。

对稳定的马氏体成核以及 MT 和 SBs 之间的相互作用有了深入的理解，为指导预加载处理提供了清晰的信息。在“稳定马氏体成核”阶段或“马氏体诱导的 SB”阶段应用的预加载处理可以调节 MT 的动力学，从而提高塑性，强度降低可以忽略不计。相比之下，在“SB 诱导马氏体”阶段应用的预压处理引入了大量残余马氏体，导致屈服应力增加和塑性降低。

分形结构的存在导致扭曲的界面和多尺度微观结构，从而产生稳定的马氏体形核和阶段性变形机制，最终提高韧性、屈服强度和持续的加工硬化能力。因此，设计具有更高分形维数的枝晶有可能放大这种分阶段效应并实现改进的机械性能。这些发现不仅阐明了 TRIP 增强 BMGC 中与分形结构相关的基本变形机制，而且还引入了分形设计概念作为开发高性能 BMGC 的关键。