非晶合金剪切帶涌現與玻璃液體轉變存在相似性

非晶合金(也稱金屬玻璃)剪切帶的起源是力學、材料以及物理等相關領域共同關注的核心科學問題，而玻璃態轉變的本質被諾貝爾獎獲得者菲利普·安德森認為是固體理論中尚未解決的最為深奧難題。近期，中科院力學所戴蘭宏研究團隊在該問題上取得新進展。基于分子動力學模擬，研究人員對非晶合金剪切帶進行了一系列精細的表征，通過從多個角度對比非晶合金剪切帶涌現過程與玻璃轉變過程，發現剪切帶涌現與玻璃-液體轉變存在驚奇的相似性。首先，通過追蹤剪切帶的涌現過程，研究人員發現非晶合金剪切帶內部展現出與玻璃-液體轉變過程相似的動力學和熱力學演變特征。具體表現為顯著的粘度下降以及比熱臺階等現象。如圖1所示，成熟剪切帶內部粘度與過冷液體的粘度相當。基于對二十面體原子團簇結構網絡的定量分析，研究人員進一步發現非晶合金剪切帶涌現過程與玻璃-液體轉變過程有著相似的結構起源。無論是應力驅動的剪切帶行為還是熱驅動的玻璃-液體轉變均展現出二十面體硬骨架的突然崩塌現象（見圖2）。在此基礎上，研究人員利用Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）粘溫關系以及Adam-Gibbs構型熵模型等經典的描述玻璃轉變現象的理論對剪切帶涌現過程進行驗證。結果表明，VFT公式和Adam-Gibbs理論均可以準確地預測、描述伴隨剪切帶涌現的顯著動力學變化特征（見圖3）。這些結果均表明外力刺激和熱效應在控制非晶合金的動力學、能量狀態以及結構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的玻璃-液體轉變行為。本項工作為定量描述非晶合金剪切帶內動力學演化過程提供了理論支撐，所發現的剪切帶與玻璃-液體轉變的一致性為在統一框架下研究無序固體剪切帶涌現與玻璃化轉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”為題發表在Physical Review Materials 6, L100602 (2022)，論文第一作者為博士生楊增宇。該項研究工作得到了國家自然科學基金重大項目“無序合金的塑性流動與強韌化機理”、“非線性力學的多尺度問題”基礎科學中心項目、中科院B類戰略性先導科技專項項目“復雜介質系統前沿與交叉力學”等資助。

論文鏈接：

圖1 非晶合金剪切帶涌現與玻璃-液體轉變的相似性。（a）應力-應變曲線與不均勻變形場。（b）成熟剪切帶內的粘度計算。（c）加載過程焓隨應變的演化，剪切帶涌現前出現焓-應變一階導不連續。（d）焓-應變一階導隨應變的演化，突變處類似玻璃轉變過程中的比熱臺階。

圖2 非晶合金剪切帶涌現與玻璃-液體轉變相似的結構起源—二十面體結構網絡崩塌。