Transition from a strong-yet-brittle to a stronger-and-ductile state by size reduction of metallic glasses

材料科学 脆性 非晶态金属 纳米柱 可塑性 陶瓷 复合材料 极限抗拉强度 无定形固体 纳米尺度 纳米 纳米结构 延展性(地球科学) 变形(气象学) 纳米技术 合金 结晶学 化学 蠕动
作者
Dongchan Jang,Julia R. Greer
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:9 (3): 215-219 被引量:723
标识
DOI:10.1038/nmat2622
摘要

Amorphous metallic alloys, or metallic glasses, are lucrative engineering materials owing to their superior mechanical properties such as high strength and large elastic strain. However, their main drawback is their propensity for highly catastrophic failure through rapid shear banding, significantly undercutting their structural applications. Here, we show that when reduced to 100 nm, Zr-based metallic glass nanopillars attain ceramiclike strengths (2.25 GPa) and metal-like ductility (25%) simultaneously. We report separate and distinct critical sizes for maximum strength and for the brittle-to-ductile transition, thereby demonstrating that strength and ability to carry plasticity are decoupled at the nanoscale. A phenomenological model for size dependence and brittle-to-homogeneous deformation is provided. A long-standing goal in engineering is to create better structural materials with enhanced useful properties for particular applications, commonly attained by constructing specific microstructures. Typical examples include martensites for strengthening, reinforced concrete for toughening and cellular structures for energy absorption. It was recently reported that extrinsic size also strongly affects crystalline properties at the submicrometre scale 1,2 , providing the opportunity to use feature size as a design parameter in attaining superior mechanical properties.
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