上大《nature》子刊：揭示低溫下非晶合金的剪切強化機制

導讀：通過有目的地調節原子尺度結構和局部應力狀態來控制剪切帶動力學來設計具有增強的可變形性的延展性非均質金屬玻璃（MGs）仍然是一個巨大的挑戰。本文將冷卻至低溫時的局部原子結構變化與觀察到的改善的剪切穩定性相關聯。與短程級（SRO）和中程級（MRO）的非仿射熱收縮有關的增強的原子級結構和彈性異質性改變了剪切轉變區（STZs）活化過程的特徵。擴展了人們對單片MG中原子級結構與基本塑性事件之間相關性的理解，從而為新的韌性金屬合金的設計鋪平了道路。

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，就會加速剪切帶的不穩定性，從而導致材料災難性的斷裂-宏觀拉伸塑性幾乎為零。因此，控制剪切帶的動力學行為以提高非晶合金的塑性變形能力是具有挑戰性的問題，同時具有至關重要的理論和實際意義。目前，有很多研究通過調控微觀結構來提高非晶合金的室溫塑性。比如非晶複合材料，晶體相作為夾雜物與剪切帶交互作用促進多重剪切帶形成並阻礙剪切帶快速擴展，從而實現增強宏觀塑性變形的能力。然而，對於單一的非晶合金，依然缺乏原子尺度結構與宏觀塑性/延展性之間內在聯繫的全面理解，這嚴重阻礙了新型高性能非晶合金的研究開發。

近日，上海大學材料學院青年教師卞西磊，通過高能同步輻射實驗和分子動力學模擬，建立了非晶合金在降溫過程中局域原子結構變化與剪切穩定性增強之間的關係，揭示了非晶合金在原子尺度上的結構不均勻性與中程、短程有序疇的非均勻收縮有關，進而影響剪切轉變區（shear transformation zones, STZs）的激活過程，從而揭示了微觀結構波動與STZ周圍應力場變化的關係，並以此闡明了低溫下非晶合金的剪切強韌化機制。相關成果以「Signature of local stress states in the deformation behavior of metallic glasses」為題發表在Nature子刊《NPG Asia Materials》上，期刊同時刊登編輯評論，題為：Metallic glasses: seeing the effects of stress。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41427-020-00241-4

本研究發現了非晶合金在低溫環境下由宏觀冷收縮導致的屈服強度的升高僅佔了43%，其餘的則來源於中程-短程有序疇結構之間的非均勻程度，即中程-短程有序疇結構之間的熱應變差異隨溫度降低而加強，這也可能控制著STZ的滲透過程進而改變剪切帶動力學和剪切角。基於Eshelby夾雜物理論，我們提出一個應力場模型（原子排列的不均勻波動使得STZ周圍的壓應力場佔優）解釋了STZ的滲透機制和剪切帶動力學行為的顯著差異。因此，應力狀態的微觀調控為提高剪切穩定性和設計新型韌性非晶合金提供了一個切實可行的策略方法。該研究成果也拓寬加深了我們對非晶合金原子結構和變形機制之間關係的理解。

圖1 在77-293 K範圍內的不同溫度下，Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10MG的力學性能

圖2：Zr 64.13 Cu 15.75 Ni 10.12 Al 10 MG的結構表徵。和在不同溫度下STZ（夾雜物）滲流機理的示意圖。

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滑動速度v s的溫度依賴性

該論文第一單位為上海大學，上海大學材料學院卞西磊博士為第一作者。該項研究得到了國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金、111引智計劃、歐盟研究理事會ERC高級項目和德國科學基金等項目的資助。高能同步輻射實驗是在德國漢堡-DESY完成的。