Matter：结构非均匀控制金属玻璃变形能力

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2023年第四期（总第132期）专栏文章，由来自中国科学院力学研究所研究员、中科院青促会优秀会员蒋敏强，就 Matter中的论文发表述评。

一提到玻璃，大家的第一印象是很脆，比如玻璃杯或镜子不小心掉在地上往往出现“破镜难重圆”现象。相比于玻璃，绝大多数金属则表现出延性，在断裂失效前能够塑性屈服甚至流动。如果将金属元素制备成玻璃，形成玻璃态的金属键即所谓的“金属玻璃”，那么在载荷作用下到底表现出玻璃的脆性还是金属的延性？研究发现，金属玻璃的断裂失效兼具玻璃和金属双重属性。依赖于组分元素、制备工艺和载荷条件，它们可以如二氧化硅玻璃那样发生完全脆性断裂，也可以如低碳钢那样经历显著的塑性变形而发生颈缩失效，但大部分情形是介于两者之间，即塑性变形高度局部化形成10纳米尺度的剪切带，进而导致宏观灾变破坏。理解上述失效模式的临界转变机理对于金属玻璃作为结构材料的工程应用十分关键，但在拓扑无序体系中寻找“结构-性能”关联具有极大的挑战性。

近日，来自浙江大学以及美国加州大学欧文分校和伯克利分校的联合团队，采用高分辨透射电子显微镜（high-resolution transmission electron microscopy, HRTEM）在位加载和表征技术结合分子动力学模拟，揭示出金属玻璃塑性变形模式从颈缩到剪切带的转变源于短程序和中程序在无序结构中空间分布非均匀程度的不同。该团队为了排除化学成分非均匀的干扰，以一种单原子钽金属玻璃为模型体系，样品尺寸为直径约20纳米的纳米线。通过电脉冲处理，制备得到了2种不同状态的拉伸样品。一种是采用单次电脉冲焊接在拉伸加载台的纳米线样品（称为”as-welded, AW”），而另一种则进一步对焊接样品进行多次低能量电脉冲处理获得（称为”electropulse-annealed, EA”）。随后的在位拉伸结果显示，AW金属玻璃表现为颈缩失效（图1A），而EA样品的失效是剪切带模式（图1B）。通过快速傅里叶变换对变形样品的衍射强度分析，研究团队发现颈缩样品的平均原子间距随变形几乎没有变化，表明应力驱动结构体胀（无序化）与局域重排介导致密（有序化）这两个竞争过程在变形中处于动力学平衡状态；反之，发生剪切带的样品变形是体胀主控的，表现为平均原子体积的增加。由于这两种样品的尺寸、加载条件和初始原子体积都几乎一样，研究团队推测实验观察到的不同变形模式应该与金属玻璃固有的结构非均匀密切相关。

为了证实这一猜测，研究团队采用分子动力学模拟开展了钽金属玻璃纳米线的单轴拉伸加载以及短中程序结构表征。为了对应实验的EA和AW状态，他们制备了低能量老化态和高能量年轻态两种样品。模拟结果很好地重现了HRTEM实验观察：老化态（EA）发生剪切带，而年轻态（AW）发生颈缩。图2分析了两种变形模拟样品的短程序和中程序演化。结果显示，相对于老化态样品，年轻态初始结构中短程序的分布相对混乱，畸变程度更高，表现出更为显著的结构非均匀。伴随着剪切带形成，老化态结构中的较为稳定的二十面体短程序逐渐被破坏，而年轻态的颈缩则伴随着二十面体在空间上均匀成核以及体积分数增加。研究团队还对短程序连接而成的中程序结构进行了分析，发现老化态样品具有高密度的中程序网络结构，而中程序在年轻态样品中未形成大尺度的网络结构。随着加载，前者导致应力集中，引起短中程序结构的局域破坏，导致局部化剪切带形成，而后者则在空间上均匀聚集，容纳样品的整体变形，最终发生颈缩失效。

这些发现清晰地揭示了金属玻璃变形模式及其转变的结构起源，推进了人们对拓扑无序结构与力学性能关联的认知，同时也有助于具有优异力学性能纳米尺度金属玻璃的工程研发。该工作以“Structural heterogeneity governing deformability of metallic glass”为题，近日发表在Cell Press旗下期刊Matter上。

▲图1 钽金属玻璃纳米线的HRTEM在位变形行为

（A和B）两种不同状态变形样品的HRTEM图片；比例尺：10纳米。

（C和D）两种样品的一维快速傅里叶变换衍射图谱；虚线指示了第一峰位置随变形的演化。

▲图2 老化态和年轻态钽金属玻璃纳米线的短程序和中程序分析

（A）两种样品初始结构中Voronoi多面体的统计分布，仅统计了体积分数超过1%的多面体。

（B）两种样品中畸变二十面体（0,1,10,2）和完美二十面体（0,0,12,0）体积分数随变形的演化。

（C）老化态样品在应变0%（未加载）和25%（剪切带形成）时二十面体密度的空间分布。

（D）年轻态样品在应变0%（未加载）和35%（颈缩形成）时二十面体密度的空间分布。

（E和F）对应于C和D应变时刻，两种样品的中程序空间分布。

论文摘要

金属玻璃的变形能力强烈依赖于玻璃所经历的热力处理过程，后者决定了玻璃的能量状态和微观原子构型。本工作，论文作者采用电脉冲实现了对单原子钽金属玻璃纳米线变形能力的宽域调控，使玻璃呈现类液态流动或脆性断裂。在原子序尺度固有的结构非均匀主控了金属玻璃的塑性和变形转变。通过追踪原子重排的应变演化，作者发现颈缩变形源于空间上局部原子序的弥散、稀疏分布，而中程序网络的蔓延阻碍了变形，导致了脆性断裂。本研究为理解金属玻璃的结构-性能关联提供了新的认知，对具有优异力学性能纳米尺度金属玻璃的设计具有重要意义。

Deformability of metallic glasses (MGs) is strongly influenced by their thermomechanical processing history that governs their energy state and local atomic configurations. Here, we reveal that monatomic tantalum MG nanowires, tailored by electropulsing, can attain a remarkable range of deformability, manifesting as either liquid-like flow or brittle fracture. Inherent structural heterogeneity on the level of atomic order dominates the plasticity and deformation transition of monatomic MGs. By tracking atomic rearrangement during straining, we find the dispersive and sparse distribution of local order is associated with necking, yet percolation of medium-range order constrains the deformability and results in brittle failure. This work sheds new light on the structure-property relationships in MGs, which has important implications for the design of nanoscale MGs with tunable mechanical properties.

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评述人简介

蒋敏强

中国科学院力学研究所研究员

中科院青促会优秀会员

蒋敏强，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，中国科学院大学岗位教授。2009年毕业于中科院力学所，获固体力学博士学位。现为中科院力学所学位委员会副主任、非线性力学国家重点实验室副主任，入选中科院特聘核心研究岗位、中科院青促会优秀会员。主要从事非晶态固体力学、冲击动力学等方面的研究，在PRL, Sci. Adv., JMPS, Acta Mater.等期刊发表学术论文100余篇。2020年获国家自然科学奖二等奖（3/5），2021年获国家杰出青年科学基金资助，曾获国家优秀青年科学基金、德国“洪堡学者”奖学金、英国麦克斯韦青年作者奖、中科院卢嘉锡青年人才奖等。

Min-qiang Jiang is currently a full professor in State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics at Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences and the School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences. He obtained his Ph.D. degrees from Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences in 2009. He worked as a Alexander von Humboldt fellow at Westfälische Wilhelms-Universität Münster in 2013-2014. His research focuses on the mechanics and physics of amorphous solids. Prof. Jiang has authored and coauthored over 100 research publications such as PRL, Science Advances and JMPS. He was granted by National Outstanding Youth Science Fund Project of NSFC in 2021 and won the Second-Class Award of the National Natural Science in 2020.

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