晶體物質(zhì)的很多性質(zhì)和特征與其缺陷的運(yùn)動(dòng)有緊密聯(lián)系。非晶態(tài)物質(zhì)是復(fù)雜的多體相互作用體系，具有短程有序、長程無序的原子結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理和力學(xué)性質(zhì)。但是，非晶固體是否存在類似晶體的缺陷，如何發(fā)現(xiàn)、表征并建立非晶中流動(dòng)單元與其類型、性質(zhì)和特征的關(guān)系仍然是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的難題。要深入研究和理解非晶合金中的變形機(jī)制，首先就要研究其微觀結(jié)構(gòu)特征。在晶體材料中，塑性變形通過缺陷的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，但是非晶中的原子排列長程無序，沒有平移對(duì)稱性，在結(jié)構(gòu)無序中尋找缺陷顯得尤為困難。另一方面，制約非晶合金大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題除了尺寸之外，最重要的就是金屬玻璃往往表現(xiàn)出室溫的脆性。在低溫和常溫下，金屬玻璃的塑性變形集中在剪切帶中，導(dǎo)致加工軟化和缺乏明顯的宏觀拉伸塑性。為了解決這個(gè)問題，需要探索金屬玻璃的塑性變形機(jī)制，而且需要研究如何通過工藝手段調(diào)節(jié)金屬玻璃里面的結(jié)構(gòu)，使得金屬玻璃實(shí)現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變。

　　關(guān)于非晶合金的塑性變形機(jī)制，國內(nèi)外研究組提出了一些理論模型，例如剪切轉(zhuǎn)變區(qū)域模型、自由體積模型等， 但是這些模型很難將非晶的宏觀性能與非均勻的結(jié)構(gòu)特征有效地聯(lián)系起來。最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪衛(wèi)華研究組以金屬玻璃為主要研究體系，在非晶合金塑性形變和玻璃弛豫關(guān)系的結(jié)構(gòu)起源研究領(lǐng)域開展工作，并取得了許多成果。他們最近的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬顯示，在非晶合金中存在動(dòng)力學(xué)特性和基底不同的流動(dòng)單元，這些流動(dòng)單元具有較高的自由能、較低的密度和粘彈性等流動(dòng)特性。這些類液體區(qū)域即流動(dòng)單元，類似晶體中的缺陷，可以通過施加應(yīng)力或者加溫激活，且這些激活的流動(dòng)單元之間有相互作用，并且可以承載非晶合金中的塑性變形，最終可以實(shí)現(xiàn)非晶合金的塑性變形或者固液轉(zhuǎn)變。美國的一個(gè)研究組最近通過球差校正透射電鏡直接觀測到玻璃中的類液體流動(dòng)區(qū)域。

　　最近，汪衛(wèi)華研究組白海洋研究員、博士研究生魯振等發(fā)展了一種簡單、但很有效的調(diào)制非晶結(jié)構(gòu)和流動(dòng)單元的方法——室溫纏繞法（mandrel winding method）。該方法通過施加徑向的應(yīng)力，可以方便、有效地調(diào)制非晶中的流動(dòng)單元濃度，實(shí)現(xiàn)非晶合金中的室溫塑性變形，同時(shí)避免產(chǎn)生剪切帶，是一種只有純形變單元承載形變的均勻形變過程, 并且有足夠的時(shí)間窗口來測量流動(dòng)單元濃度的變化與宏觀性能變化的關(guān)系。這種方法可以研究和確定一個(gè)非晶體系流動(dòng)單元的激活能、體積、激活時(shí)間、分布‘弛豫時(shí)間等重要參量。他們用該方法系統(tǒng)研究了不同體系金屬玻璃的塑性變形和玻璃轉(zhuǎn)變溫度、弛豫以及隨時(shí)間的變化。研究發(fā)現(xiàn)，通過施加相同的恒定應(yīng)變，金屬玻璃在室溫情況下的均勻塑性應(yīng)變和其玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg的高低有反向關(guān)聯(lián)，即Tg點(diǎn)越高，金屬玻璃的塑性形變量越小。通過長時(shí)間保持恒定的應(yīng)變，可以使幾乎所有金屬玻璃都能實(shí)現(xiàn)室溫的塑性形變。具有明顯β弛豫的金屬玻璃具有更多的流動(dòng)單元，通過退火的方式得到了金屬玻璃塑性形變大小和β弛豫、流動(dòng)單元之間的關(guān)系。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)非晶的動(dòng)力學(xué)本征缺陷——流動(dòng)單元與時(shí)間密切相關(guān)。通過施加不同時(shí)間的應(yīng)變，利用麥克斯韋粘壺模型，系統(tǒng)研究了流動(dòng)單元弛豫時(shí)間和塑性形變之間的關(guān)系，得到了流動(dòng)單元弛豫時(shí)間和激活能譜。該項(xiàng)工作證明可以通過調(diào)節(jié)金屬玻璃中的缺陷——流動(dòng)單元的數(shù)量、激活能，延長施加應(yīng)變時(shí)間可以使金屬玻璃實(shí)現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變和非晶態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。文章還給出均勻流變和非晶結(jié)構(gòu)、時(shí)間的關(guān)系圖。這個(gè)簡單方法為研究非晶的非均勻性、形變機(jī)制等問題提供了新的途徑和思路。

　　相關(guān)結(jié)果發(fā)表在 Phys. Rev. Lett. 113,045501 (2014)上。該項(xiàng)研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“973”項(xiàng)目和中科院的資助。

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    圖1：兩種方式纏繞金屬玻璃示意圖。掃描圖片發(fā)現(xiàn)，解開纏繞之后，金屬玻璃條帶表面并未發(fā)現(xiàn)剪切帶，表明通過這種方式纏繞可以實(shí)現(xiàn)金屬玻璃均勻塑性變形。

圖2：不同體系金屬玻璃塑性變形和玻璃轉(zhuǎn)變溫度以及流動(dòng)單元激活能之間的關(guān)系。

圖3：金屬玻璃中β弛豫強(qiáng)度、退火時(shí)間和塑性變形之間的關(guān)系。

圖4：纏繞時(shí)間和金屬玻璃塑性形變之間的關(guān)系。

    圖5：金屬玻璃中流動(dòng)單元數(shù)量、流動(dòng)單元激活能、時(shí)間和韌脆轉(zhuǎn)變關(guān)系示意圖。可以通過調(diào)節(jié)金屬玻璃中流動(dòng)單元數(shù)量、激活能，改變施加應(yīng)變時(shí)間來實(shí)現(xiàn)金屬玻璃中的韌脆轉(zhuǎn)變。