研究背景
高性能结构工程材料的选择与设计主要由两方面因素决定，一方面是希望实现材料强度、塑性、韧性、弹性等力学性能的优化组合，而另一方面同时要求材料的失效是可预测且非灾难性的。金属玻璃作为新兴的结构工程材料，具有高强度、高弹性和显著的断裂韧性等优异性能，在近几十年引起了人们极大关注。但由于它们缺乏延展性，在受力时突然发生灾难性失效，这种致命的室温脆性极大限制了其工业化应用。因此，深入理解金属玻璃的力学变形行为和相关机理，对于改善金属玻璃的室温脆性等力学性能至关重要。尽管人们从变形结构单元、微观结构、能量状态等方面提出一些理论模型用于解释金属玻璃的变形行为，但受限于实验技术限制以及无序结构的复杂性，目前仍有很多科学问题尚未解决，尤其是金属玻璃的微观结构和力学行为如何相互影响的这个关键问题。
文章重点
福耀科技大学蒋建中教授课题组长期从事金属玻璃的微观结构和力学性能的关系的研究工作，本文利用分子动力学(MD)模拟，分析了CuZr MGs的非弹性变形开始，特别是弹性极限的温度依赖性，采用局部剪切变换(ST)事件。研究发现，虽然ST事件是在较低应变下随温度升高而发生的，但在一定的温度范围内，其弹性极限随温度升高而增大。本文通过对MD模拟中确定的ST事件进行高通量应变依赖能量势垒计算，构建能量-应变景观(ESL)框架来解释这种异常行为。ESL结果表明，这种异常行为是由不可逆转变为可逆引起的。建立了一个解析公式来预测这种转变和弹性极限对温度的依赖性。这些发现为理解金属玻璃的塑性屈服提供了新视角。该文章发表在国际顶级期刊Nature Communications上。
图文解析
图1. 金属玻璃(MG)变形的宏观和微观机理。(a) Cu64.5Zr35.5 MG构型(Cu-小原子; Zr-大原子)有5000个原子。红色箭头表示沿y轴的单轴加载方向。使用OVITO软件，根据原子的von Mises原子应变大小与加载前的初始配置进行比较，原子被着色。在前面的一半原子被移除，以显示剪切变换(ST)事件在模拟盒的中心。(b)大盆地之间的α转换和小盆地之间的β转换的一维势能景观示意图(PEL)。(c)典型MG拉伸试验的应力-应变关系示意图，在弹性极限处出现不可逆的ST事件，在宏观屈服强度处ST事件聚并(圈内)。圆圈中的数据来自20 K下拉伸试验的MD模拟。箭头指示装载或卸载方向。
图2. 弹性极限的反常温度依赖性。(a)不同温度下拉伸加载试验的应力-应变曲线，沿y方向至弹性极限(非弹性开始)，然后卸载至零应力。从总应变中去除弹性应变以显示ST事件。非零度温度下的曲线被移位以帮助可视化。在5 K(第三条曲线，应变高达0.3%)和20 K(第七条曲线，应变高达0.58%)的弹性极限下进行两次额外的可逆循环加载试验。(b)模拟弹性极限εlim随温度的函数。实线(红色)和虚线(绿色)箭头表示正常和异常温度对εlim的影响。
图3. 不同温度下加载-卸载过程中亚稳态id(圈数)的能量-应变图(ESL)。(a)准静态0 K极限(加载到εlim = 0.36 %)和2 K极限(加载到εlim = 0.19 %); (b) 5 K(加载至εlim= 0.56 %); (c) 20 K(加载到εlim= 0.58%)。灰色竖线表示状态应变能E(ε)随应变ε的函数，深灰色水平线表示相邻状态之间的最小能量路径(MEPs)，表示施加应变ε时的1D PEL图。为了放大能量差，从总能量中减去参考弹性能Eref(ε) = 1.5ε2 + E0, E0为系统在零应变时的能量。粗箭头表示加载/卸载过程中与应变相同状态的能量变化。连接垂直箭头的粗曲线表示相邻状态之间的一次性转换，而阴影区域表示完全可恢复的转换。红色曲线表示每次剪切转变(ST)事件的本征势垒MEP。这些MD模拟涉及三个ST事件(I, II, III)，它们经历三种类型的行为:不可逆(A型)，滞后可逆(B型)和完全可逆(C型)，在ESL上标注出来。状态及其类型之间的连通性在(d) 0 K极限和2 K; (e) 5 K; (f ) 20 K处进行了说明。ST事件I、II和III的空间范围分别表示为(g)、(h)和(I)。
图4. 根据ST事件的可逆性预测弹性极限。(a)选择的ST Event I在不同施加应变下的MEPs值在(εmin，εmax)范围内，其中状态①(初态)和②(终态)均为亚稳态。(b)事件I在正向Ebfwd和反向Ebbwd方向上的能量势垒随外加应变ε的函数。不同温度下的热波动用水平虚线表示，特征势垒Eeig用红色虚线表示。(c)事件1在不同温度下对应的应力-应变滞回线。εeig为本征势垒Eeig对应的应变。(d)预测弹性极限εlim(T)(黑色实线)作为温度和MD模拟(红星)模拟的εlim(T)的函数。
作者简介
通讯作者：蒋建中教授，2024年-至今福耀科技大学材料科学与工程学院院长，博士生导师。2004年加盟浙江大学材料学院任教授、博导并荣获国家自然科学杰出青年基金；2006年荣获教育部长江学者特聘教授；2009年获教育部高校优秀科研成果自然科学一等奖（第一完成人）；2011年担任科技部973项目首席科学家；2012年培养了一篇全国百篇优秀博士学位论文；2014年入选国家“百千万工程”；2016年获得国务院特殊津贴。曾负责主持科技部国家重点研发项目、973和863项目、国家自然科学基金委重大、重点、面上和主任基金项目，中德重大国际合作项目，浙江省科技厅重大、重点等项目。主要研究方向：金属液体、块体金属玻璃、金属玻璃薄膜、同步辐射技术、高熵合金和相变等。在国际期刊Science, Progress in Material Science, Advanced Materials, Science Advances, Matter, Nature Communications, Nano Letters, PNAS, PRL, JACS, Advanced Functional Materials, Acta Materialia, Scientific Reports, APL, PRB等发表论文500余篇，H因子71，引用超过2万次。他是美国内华达里诺大学、日本东北大学、德国乌尔姆大学、德国DESY同步辐射国家实验室、澳大利亚新西南威尔士大学、中国科技大学、厦门大学等高校兼任教授或研究员。
