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非晶合金(也稱金屬玻璃)剪切帶的起源是力學(xué)、材料以及物理等相關(guān)領(lǐng)域共同關(guān)注的核心科學(xué)問題，而玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的本質(zhì)被諾貝爾獎獲得者菲利普·安德森認(rèn)為是固體理論中尚未解決的最為深奧難題。近期，中科院力學(xué)所戴蘭宏研究團(tuán)隊(duì)在該問題上取得新進(jìn)展。基于分子動力學(xué)模擬，研究人員對非晶合金剪切帶進(jìn)行了一系列精細(xì)的表征，通過從多個角度對比非晶合金剪切帶涌現(xiàn)過程與玻璃轉(zhuǎn)變過程，發(fā)現(xiàn)剪切帶涌現(xiàn)與玻璃-液體轉(zhuǎn)變存在驚奇的相似性。首先，通過追蹤剪切帶的涌現(xiàn)過程，研究人員發(fā)現(xiàn)非晶合金剪切帶內(nèi)部展現(xiàn)出與玻璃-液體轉(zhuǎn)變過程相似的動力學(xué)和熱力學(xué)演變特征。具體表現(xiàn)為顯著的粘度下降以及比熱臺階等現(xiàn)象。如圖1所示，成熟剪切帶內(nèi)部粘度與過冷液體的粘度相當(dāng)。基于對二十面體原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的定量分析，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)非晶合金剪切帶涌現(xiàn)過程與玻璃-液體轉(zhuǎn)變過程有著相似的結(jié)構(gòu)起源。無論是應(yīng)力驅(qū)動的剪切帶行為還是熱驅(qū)動的玻璃-液體轉(zhuǎn)變均展現(xiàn)出二十面體硬骨架的突然崩塌現(xiàn)象（見圖2）。在此基礎(chǔ)上，研究人員利用Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）粘溫關(guān)系以及Adam-Gibbs構(gòu)型熵模型等經(jīng)典的描述玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的理論對剪切帶涌現(xiàn)過程進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，VFT公式和Adam-Gibbs理論均可以準(zhǔn)確地預(yù)測、描述伴隨剪切帶涌現(xiàn)的顯著動力學(xué)變化特征（見圖3）。這些結(jié)果均表明外力刺激和熱效應(yīng)在控制非晶合金的動力學(xué)、能量狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)演化等方面具有相似的作用。因此，非晶合金剪切帶可以看作是力載荷誘發(fā)的玻璃-液體轉(zhuǎn)變行為。本項(xiàng)工作為定量描述非晶合金剪切帶內(nèi)動力學(xué)演化過程提供了理論支撐，所發(fā)現(xiàn)的剪切帶與玻璃-液體轉(zhuǎn)變的一致性為在統(tǒng)一框架下研究無序固體剪切帶涌現(xiàn)與玻璃化轉(zhuǎn)變打開了一扇新的窗戶。
該研究成果近期以“Towards commonality between shear banding and glass-liquid transition in metallic glasses”為題發(fā)表在Physical Review Materials6, L100602 (2022)，論文第一作者為博士生楊增宇。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“無序合金的塑性流動與強(qiáng)韌化機(jī)理”、“非線性力學(xué)的多尺度問題”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中科院B類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目“復(fù)雜介質(zhì)系統(tǒng)前沿與交叉力學(xué)”等資助。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevMaterials.6.L100602
圖1 非晶合金剪切帶涌現(xiàn)與玻璃-液體轉(zhuǎn)變的相似性。（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線與不均勻變形場。（b）成熟剪切帶內(nèi)的粘度計(jì)算。（c）加載過程焓隨應(yīng)變的演化，剪切帶涌現(xiàn)前出現(xiàn)焓-應(yīng)變一階導(dǎo)不連續(xù)。（d）焓-應(yīng)變一階導(dǎo)隨應(yīng)變的演化，突變處類似玻璃轉(zhuǎn)變過程中的比熱臺階。
圖2 非晶合金剪切帶涌現(xiàn)與玻璃-液體轉(zhuǎn)變相似的結(jié)構(gòu)起源—二十面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)崩塌。
圖3 利用經(jīng)典的描述玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的VFT公式和Adam Gibbs理論定量驗(yàn)證非晶合金剪切帶涌現(xiàn)過程的動力學(xué)變化特征
