通过有目的地调节原子尺度结构和局部应力状态来控制剪切带动力学来设计具有增强的可变形性的延展性非均质金属玻璃（MGs）仍然是一个巨大的挑战。本文将冷却至低温时的局部原子结构变化与观察到的改善的剪切稳定性相关联。与短程级（SRO）和中程级（MRO）的非仿射热收缩有关的增强的原子级结构和弹性异质性改变了剪切转变区（STZs）活化过程的特征。扩展了人们对单片MG中原子级结构与基本塑性事件之间相关性的理解，从而为新的韧性金属合金的设计铺平了道路。

非晶合金在室温下的塑性变形为非均匀变形，变形高度局域化而形成剪切带。加之缺乏加工硬化能力，一旦剪切带开动，就会加速剪切带的不稳定性，从而导致材料灾难性的断裂-宏观拉伸塑性几乎为零。因此，控制剪切带的动力学行为以提高非晶合金的塑性变形能力是具有挑战性的问题，同时具有至关重要的理论和实际意义。目前，有很多研究通过调控微观结构来提高非晶合金的室温塑性。比如非晶复合材料，晶体相作为夹杂物与剪切带交互作用促进多重剪切带形成并阻碍剪切带快速扩展，从而实现增强宏观塑性变形的能力。然而，对于单一的非晶合金，依然缺乏原子尺度结构与宏观塑性/延展性之间内在联系的全面理解，这严重阻碍了新型高性能非晶合金的研究开发。

近日，上海大学材料学院青年教师卞西磊，通过高能同步辐射实验和分子动力学模拟，建立了非晶合金在降温过程中局域原子结构变化与剪切稳定性增强之间的关系，揭示了非晶合金在原子尺度上的结构不均匀性与中程、短程有序畴的非均匀收缩有关，进而影响剪切转变区（shear transformation zones, STZs）的激活过程，从而揭示了微观结构波动与STZ周围应力场变化的关系，并以此阐明了低温下非晶合金的剪切强韧化机制。相关成果以“Signature of local stress states in the deformation behavior of metallic glasses”为题发表在Nature子刊《NPG Asia Materials》上，期刊同时刊登编辑评论，题为：Metallic glasses: seeing the effects of stress。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41427-020-00241-4

本研究发现了非晶合金在低温环境下由宏观冷收缩导致的屈服强度的升高仅占了43%，其余的则来源于中程-短程有序畴结构之间的非均匀程度，即中程-短程有序畴结构之间的热应变差异随温度降低而加强，这也可能控制着STZ的渗透过程进而改变剪切带动力学和剪切角。基于Eshelby夹杂物理论，我们提出一个应力场模型（原子排列的不均匀波动使得STZ周围的压应力场占优）解释了STZ的渗透机制和剪切带动力学行为的显著差异。因此，应力状态的微观调控为提高剪切稳定性和设计新型韧性非晶合金提供了一个切实可行的策略方法。该研究成果也拓宽加深了我们对非晶合金原子结构和变形机制之间关系的理解。

图1 在77-293 K范围内的不同温度下，Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10MG的力学性能

图2：Zr 64.13 Cu 15.75 Ni 10.12 Al 10 MG的结构表征。和在不同温度下STZ（夹杂物）渗流机理的示意图。

图3：随温度降低，断裂角（θ）和断裂模式因子（ω）的变化

图4：插入SB滑动速度v s的温度依赖性

该论文第一单位为上海大学，上海大学材料学院卞西磊博士为第一作者。该项研究得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金、111引智计划、欧盟研究理事会ERC高级项目和德国科学基金等项目的资助。高能同步辐射实验是在德国汉堡-DESY完成的。