中科院金属所Nature：挑战半世纪难题，破解玻璃之王致命伤，哈佛教授盛赞不已！

小纳米

2020-03-02

玻璃你是见过的，金属玻璃你了解吗？

当液态金属冷却成固体时，一般会发生结晶，得到固态金属。但是，如果让液态金属的冷却速度急剧加快，譬如每秒钟降温十万甚至百万摄氏，金属原子就会无序排列，不会结晶，形成金属玻璃。

金属玻璃是一种非晶态金属材料，它并不透明，但是既具有金属的硬度，又具有一定的韧性，是迄今为止最强的金属材料和最软的金属材料之一，在电子产品、汽车零部件、航空航天以及国防领域具有广泛的用途，被称为敲不碎、砸不烂的“玻璃之王”。

轻质金属材料制造的汽车概念图

自1960年问世以来，科学家对金属玻璃展开了长达半个世纪的深入研究。值得一提的是，中科院物理所柳研辉研究员在此方面做出了一系列重要突破。2019年，柳延辉团队打破传统局限，研制出一种具有极高强度和玻璃形成能力的高温块体金属玻璃合金。这一成果为金属玻璃材料进入更广泛的实用化提供了新的途径，刚刚并入选2019年中国科学十大进展。

但是，金属玻璃还有一个致命伤：在应力作用下发生软化。

普通金属一般会产生应变硬化的现象。譬如你把一根金属针弯曲一下，随着弯曲程度越来越大，最尖锐的地方会变得越来越硬。而金属玻璃则不同，由于金属玻璃内部原子的非晶态无序排列，在应力作用下反而会发生软化行为，甚至导致断裂，这种行为极大地限制了金属玻璃的广泛应用。

有鉴于此，中科院金属所李毅研究员与剑桥大学A. L. Greer教授合作，今日在Nature发文，克服金属玻璃致命伤，首次实现了块体非晶材料的加工硬化，被哈佛大学著名材料学家Frans Spaepen教授盛赞。

普通金属与金属玻璃在应变下的不同表现，主要取决于原子尺度的变形机制。对于普通金属而言，应变产生的位错导致塑性变形，使材料强度增强。而对于金属玻璃而言，由于其非晶结构，没有位错，只能通过剪切发生塑性变形，这种变形模式会影响整个金属玻璃中的剪切转变区域（STZ）的小部分原子，使原子结构松散，并进一步导致新的剪切转变区的形成，最终导致材料软化。

考虑到剪切会在材料表面上形成台阶，属于是宏观行为。因此，通过施加适当的限制，是有可能抑制这种剪切行为的。于是，研究人员通过在圆柱状金属玻璃棒的圆周上切一个较深的窄槽口并沿其轴线方向对其进行压缩，实现了这种抑制效果。

研究人员先让靠近杆中间的缺口位置产生极大塑性变形，剪切带被杆的外部施加力的约束所抑制。然后，切出中间未受影响的样品，在拉伸或压缩下变形。他们发现，所得材料表现出与常规结晶金属相似的性能：实现加工硬化，且不形成剪切带。

图1. 实验流程

为什么会造成这种非常规的硬化机制呢？

这要从让晶体和金属的基态说起。处于未变形基态的晶体具有最低的流应力。在变形过程中引入位错会耗费能量，并且它们的纠缠会增加流动应力。但是，处于基态的玻璃具有最大的流应力，因为它的STZ数量最少。这种状态的变形会消耗能量，但是通过剪切诱导的扩张会引入新的STZ，从而降低流动应力。

研究人员在约束条件下使金属玻璃样品发生严重变形，将玻璃的能量提高到远高于基态的能量。当作者在拉伸或压缩试验的较少约束条件下使它们变形时，结构弛豫开始出现：原子堆积增加，早期变形引入的体积消失；STZ数量下降，导致流应力增加，并最终实现了应力硬化。

图2. 结构表征

总之，这项工作对于金属玻璃的结构应用的起到了重要推动作用，虽然目前实验的样品只有3毫米长。除此之外，这项技术为探索玻璃复杂的构效关系开辟了新的途径，进一步促进了玻璃科学的发展。

如何使这项技术能大规模应用于块体金属玻璃，是今后应该考虑的问题。

参考文献：

1.J. Pan et al. Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenatedbulk metallic glass. Nature 2020

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2016-3

2.Frans Spaepen. Metallic glasses rejuvenated to harden under strain. Nature 2020

https://www.nature.com/articles/d41586-020-00468-9