通過有目的地調(diào)節(jié)原子尺度結(jié)構(gòu)和局部應(yīng)力狀態(tài)來控制剪切帶動(dòng)力學(xué)來設(shè)計(jì)具有增強(qiáng)的可變形性的延展性非均質(zhì)金屬玻璃（MGs）仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。本文將冷卻至低溫時(shí)的局部原子結(jié)構(gòu)變化與觀察到的改善的剪切穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)。與短程級（SRO）和中程級（MRO）的非仿射熱收縮有關(guān)的增強(qiáng)的原子級結(jié)構(gòu)和彈性異質(zhì)性改變了剪切轉(zhuǎn)變區(qū)（STZs）活化過程的特征。擴(kuò)展了人們對單片MG中原子級結(jié)構(gòu)與基本塑性事件之間相關(guān)性的理解，從而為新的韌性金屬合金的設(shè)計(jì)鋪平了道路。

非晶合金在室溫下的塑性變形為非均勻變形，變形高度局域化而形成剪切帶。加之缺乏加工硬化能力，一旦剪切帶開動(dòng)，就會(huì)加速剪切帶的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致材料災(zāi)難性的斷裂-宏觀拉伸塑性幾乎為零。因此，控制剪切帶的動(dòng)力學(xué)行為以提高非晶合金的塑性變形能力是具有挑戰(zhàn)性的問題，同時(shí)具有至關(guān)重要的理論和實(shí)際意義。目前，有很多研究通過調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)來提高非晶合金的室溫塑性。比如非晶復(fù)合材料，晶體相作為夾雜物與剪切帶交互作用促進(jìn)多重剪切帶形成并阻礙剪切帶快速擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)宏觀塑性變形的能力。然而，對于單一的非晶合金，依然缺乏原子尺度結(jié)構(gòu)與宏觀塑性/延展性之間內(nèi)在聯(lián)系的全面理解，這嚴(yán)重阻礙了新型高性能非晶合金的研究開發(fā)。

近日，上海大學(xué)材料學(xué)院青年教師卞西磊，通過高能同步輻射實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，建立了非晶合金在降溫過程中局域原子結(jié)構(gòu)變化與剪切穩(wěn)定性增強(qiáng)之間的關(guān)系，揭示了非晶合金在原子尺度上的結(jié)構(gòu)不均勻性與中程、短程有序疇的非均勻收縮有關(guān)，進(jìn)而影響剪切轉(zhuǎn)變區(qū)（shear transformation zones, STZs）的激活過程，從而揭示了微觀結(jié)構(gòu)波動(dòng)與STZ周圍應(yīng)力場變化的關(guān)系，并以此闡明了低溫下非晶合金的剪切強(qiáng)韌化機(jī)制。相關(guān)成果以“Signature of local stress states in the deformation behavior of metallic glasses”為題發(fā)表在Nature子刊《NPG Asia Materials》上，期刊同時(shí)刊登編輯評論，題為：Metallic glasses: seeing the effects of stress。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41427-020-00241-4

本研究發(fā)現(xiàn)了非晶合金在低溫環(huán)境下由宏觀冷收縮導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度的升高僅占了43%，其余的則來源于中程-短程有序疇結(jié)構(gòu)之間的非均勻程度，即中程-短程有序疇結(jié)構(gòu)之間的熱應(yīng)變差異隨溫度降低而加強(qiáng)，這也可能控制著STZ的滲透過程進(jìn)而改變剪切帶動(dòng)力學(xué)和剪切角。基于Eshelby夾雜物理論，我們提出一個(gè)應(yīng)力場模型（原子排列的不均勻波動(dòng)使得STZ周圍的壓應(yīng)力場占優(yōu)）解釋了STZ的滲透機(jī)制和剪切帶動(dòng)力學(xué)行為的顯著差異。因此，應(yīng)力狀態(tài)的微觀調(diào)控為提高剪切穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)新型韌性非晶合金提供了一個(gè)切實(shí)可行的策略方法。該研究成果也拓寬加深了我們對非晶合金原子結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制之間關(guān)系的理解。

圖1 在77-293 K范圍內(nèi)的不同溫度下，Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10MG的力學(xué)性能

圖2：Zr 64.13 Cu 15.75 Ni 10.12 Al 10 MG的結(jié)構(gòu)表征。和在不同溫度下STZ（夾雜物）滲流機(jī)理的示意圖。

圖3：隨溫度降低，斷裂角（θ）和斷裂模式因子（ω）的變化

圖4：插入SB滑動(dòng)速度v s的溫度依賴性

該論文第一單位為上海大學(xué)，上海大學(xué)材料學(xué)院卞西磊博士為第一作者。該項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、111引智計(jì)劃、歐盟研究理事會(huì)ERC高級項(xiàng)目和德國科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。高能同步輻射實(shí)驗(yàn)是在德國漢堡-DESY完成的。