CuZr二元金属玻璃在氢气中结构演化与力学性能的原位定量研究

Metallic glasses are new type of alloys without long-range structural order. The amorphous structure not only provide metallic glass outstanding mechanical properties but also render them promising candidates for hydrogen containing and separation. It has been reported that some metallic glass have good hydrogen containing capability and high hydrogen permeability. However the interaction between hydrogen and metallic glasses is still not well understood. A systematic evaluation of the mechanical performance of metallic glass in hydrogen environment which is essential for the material safety in engineering applications is currently lacking. In this work, a comparative study of mechanical properties of CuZr MG in hydrogen gas and vacuum will be carried out to study the effect of hydrogen addition on the strength and plasticity of metallic glasses. In order to investigate the structural change of metallic glass, hydrogen charging of metallic glass will be performed inside a transmission electron microscope. A deep understanding of the structural evolution of metallic glass in hydrogen gas will shed light on H effect and deformation mechanism of MG.

金属玻璃是一种结构长程无序的新型金属合金。由于其结构的特殊性，金属玻璃不仅具有优异的力学性能，还在氢气储存和分离方面具有巨大的潜力。研究表明，Zr基金属玻璃具有良好的储氢能力和氢渗透能力，然而氢和金属玻璃之间的相互作用机制仍不清楚。对金属玻璃在氢气环境下的力学性能进行系统评价是对在实际应用中材料安全的重要保证。在本项目中，我们将对比CuZr 金属玻璃在氢气气氛和真空中的力学性能，研究氢对金属玻璃弹性、塑形和强度的影响。通过在透射电子显微镜内进行的原位充氢实验，对金属玻璃的结构变化进行表征。结合力学性能测试结果和对结构演化的分析，揭示氢对金属玻璃力学性能的影响机理。

一般认为，氢元素对结构材料（例如钢铁材料）是一种有害元素。对金属玻璃而言，氢可能导致材料在低应力下发生脆断，造成氢脆现象。但另一些研究表明加入适量的氢元素可以增加金属玻璃的塑性，从而优化金属玻璃的性能。研究氢元素对金属玻璃的影响，不仅是一个重要的工程问题，同样也是一个重要的科学问题。.本项目围绕氢对金属玻璃的影响开展研究。1）研究了电化学充氢的锆基Vit 105金属玻璃在纳米压入试验中的行为。结果表明Vit 105金属玻璃充氢后压入强度有所提升，而应变突跳的可能性降低；2）研究了气氛充氢的铜锆金属玻璃纳米微柱的压缩行为，结果表明微柱的应力应变曲线变得更加连续而其强度保持不变或略有提升。两个不同的研究得到了一致的结果，少量氢元素的加入可以增加金属玻璃的局部变形能力，从而提高其整体塑性，而强度未受影响。对充氢前后金属玻璃的结构研究发现氢致结构膨胀。下一步需要对充氢后金属玻璃结构的不均匀性进行研究。我们还研究了缺口对金属玻璃力学性能的影响，发现应力状态和几何约束对剪切带的萌生和扩展具有重要影响。对缺口效应的研究为下一步研究充氢对金属玻璃剪切带扩展打下基础。.研究结果表明，氢元素可以作为合金元素用于调节金属玻璃的力学性能。本项目的成果为金属玻璃氢致塑性提供了新的实验证据，我们根据充氢对金属玻璃结构产生的变化建立了解释氢致塑性的模型，提出了新的研究方向。