非晶合金（也稱金屬玻璃）是一類原子排列長程無序的新型金屬結構材料，因具有高彈性、高強度、高韌性等一系列優異的力學性能，在空天、國防、能源等領域顯示廣闊的應用前景。然而，剪切帶快速擴展導致的宏觀脆性破壞，嚴重地制約了其廣泛的工程應用，人們至今仍未能破解原子拓撲無序的非晶合金系統中納米尺度剪切帶究竟如何演化誘致宏觀脆性破壞。
近期，中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室研究員戴蘭宏團隊針對這一問題取得新進展。研究人員發展了剪切變形可控“凍結”的切削技術和剪切帶內部原子尺度微結構演變在位監測的聲發射技術，首次捕捉到剪切帶從萌生到演化終止過程中原子尺度體積膨脹的變化規律，揭示了剪切帶演化程度與體積膨脹的關聯性質。發現非晶合金存在兩類剪切帶，一類是剪切帶擴展加速-減速-停止的延性剪切帶，另一類是剪切帶擴展啟動后快速加速演化致破壞的脆性剪切帶。延性剪切帶控制非晶合金穩定塑性流動，而脆性剪切帶控制非晶合金的宏觀脆性破壞行為。
他們進一步建立了考慮原子尺度體脹引起有效無序溫度變化效應的剪切帶演化理論模型，進而提出了剪切帶延脆轉變準則，揭示了剪切帶內部原子尺度體脹累積是延-脆剪切帶轉變的物理起源。上述研究結果，為破解非晶合金的剪切帶演化誘致宏觀脆性破壞之謎提供了重要線索。
該研究成果已發表于英國皇家學會會刊Proceedings of the Royal Society A (F.Zeng, M.Q.Jiang, L.H.Dai, Dilatancy induced dutile-brittle transition of shear band in metallic glasses, 2018, A474, 20170836)。研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、國家重點研發計劃項目、中科院戰略性先導B項目和前沿重點項目的資助。
圖1 聲發射捕捉剪切帶內部原子尺度體脹原理和原子尺度體脹演變規律
圖2 (a)剪切帶延脆轉變力學行為； (b) 剪切帶延脆轉變準則；(c) 剪切帶臨界體脹值
圖(a)楊氏模量和硬度隨老化時間的演變；(b)應力松弛時間τSR與老化溫度1/Ta在Tf==554K的演變規律；(c)在玻璃和過冷液體區域老化過程中τSR的演變；(d)不同老化時間和溫度下參數隨老化時......
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