金屬玻璃（又稱非晶態合金）因其內部原子堆垛的無序結構，展現出高強度、高彈性等優異力學性能，但也使其在塑性變形過程中易發生納米寬度的局域剪切帶（shear bands）。剪切帶的形成與擴展往往誘發材料的脆性斷裂，嚴重制約了金屬玻璃在工程領域的推廣應用。剪切帶的形成和演化是一個涉及原子尺度至宏觀尺度的多重耦合過程。由于其在微秒時間尺度下發生，傳統實驗手段難以直接觀察其原子機制；另一方面，傳統分子動力學模擬受限于計算成本，往往采用遠高于實驗條件的冷卻速率（>10¹? K/s）制備金屬玻璃模型，導致所得結構狀態與真實材料存在很大偏差，難以實現剪切變形機制的準確還原。因此，揭示剪切帶如何萌生與傳播的微觀機制成為凝聚態物理、材料力學與計算材料科學交叉領域中的前沿難題。

針對這一科學挑戰，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室材料創新設計中心（CAID）丁俊教授和馬恩教授帶領的研究團隊基于其先前開發的高效分子動力學-蒙特卡羅耦合模擬方法（研究團隊近期論文PNAS, 119 2022 e2213941119計算模擬出接近真實實驗冷速的CuZr金屬玻璃），成功研究了Mg??Cu??Y??非晶合金在冷卻速率跨越9個數量級（從與實驗鑄造條件相當的10⁴ K/s到常見分子動力學模擬速率10¹³ K/s）下的結構演化與剪切帶變形行為。研究結果表明，與超快速冷卻樣品相比，緩慢冷卻樣品中剪切帶的各種性質均變化（升高/降低）明顯（圖1）。進一步分析發現，結構狀態的演變導致剪切帶延展機制發生了定性轉變。在超快速冷卻的樣品中，剪切帶擴展呈現間歇性特征，表現為多個剪切變形區的順序激活和合并，而這些剪切變形區之間由渦漩場隔開。相比之下，緩慢冷卻的樣品表現出連續且快速的剪切帶傳播，由局部剪切軟化和大型渦漩場的形成介導，其結構響應具有更強的集體性。這種機制的轉變來源于不同結構狀態下激活剪切變形區的數密度和空間分布的顯著差異（圖2）。

該研究首次從原子層面揭示了結構狀態對剪切帶傳播機制的決定性作用。這些發現為非晶合金中剪切帶的初始形成與傳播的微觀動力學提供了全新見解，強調了如何通過調節金屬玻璃結構狀態來控制剪切帶行為。這為優化非晶合金的機械性能以滿足特定工程應用需求帶來了新的機遇。

圖1  超快淬火和緩慢冷卻的Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀ 非晶樣品中剪切帶的微觀性質

圖2 剪切帶前沿傳播至樣品中部時的原子級機制

日前，上述研究成果以“結構狀態決定金屬玻璃中剪切帶傳播的機制（Structural state governs the mechanism of shear-band propagation in metallic glasses）”為題發表于《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。西安交大金屬材料強度全國重點實驗室為論文通訊單位。西安交大材料學院博士研究生蔚錦華為論文第一作者，材料學院丁俊教授和馬恩教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、國重室開放課題和國家級青年人才項目支持計劃的共同資助，以及西安交大高算平臺計算資源的支持。

論文鏈接： 

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2427082122

丁俊教授主頁：

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/dingsn/home

https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/223395.htm