PNAS: 拓扑结构及成分不均匀性如何影响非晶的韧性？

金属玻璃材料（以下简称非晶）具有很多独特优异的性能，是当今科学研究的热点之一。不过有一个现象目前还没有一个合理的解释，那就是非晶的断裂韧性表现出很大的差异，不同非晶的韧性值会相差非常大，那么，出现这种现象的原因是什么？或者说，是什么因素决定着非晶的韧性强弱？

针对上述问题，来自加州理工学院的研究人员近日在PNAS上发表了他们的相关研究成果。它们通过弯曲试验和分子动力学模拟的方法，对两种二元非晶Pd82Si18和Cu46Zr54进行了研究，希望能够探求到非晶韧性的本源。

弯曲试验的结果显示，Pd82Si18的韧性远高于Cu46Zr54，这是由于Pd82Si18不易通过结构中的空穴形成裂纹，从而具有更强的塑性变形能力。通过分子动力学模拟了两种材料空穴作用的初始阶段，并试图找出过程中的关键控制因素。结果发现，对于韧性高的Pd82Si18，空穴作用同时受成分不均匀性及拓扑结构两个因素的影响，而对于韧性低的Cu46Zr54，仅仅是空穴附近的拓扑低配位多面体在起作用。因此，化学成分的不均匀性使得在Pd82Si18中形成空穴更加困难，从而增强了它的韧性，而Cu46Zr54在形成空穴时没有成分的不均匀性，需要克服的能量势垒更低，导致了低的韧性。

文献图注

图1 (A): Pd82Si18和Cu46Zr54合金1mm圆棒的弯曲载荷位移曲线；(B): Cu46Zr54合金样品断后受拉一侧的SEM照片，表现出灾难性裂纹以及少量剪切带；(C): Pd82Si18合金样品变形后受拉一侧的SEM照片，表现出高密度的剪切带，未发现任何的开口或微裂纹。

图2 Pd82Si18和Cu46Zr54合金拉伸驱动的空穴现象
(A): 在均匀增加的净水拉应力条件下压力随时间及应变的变化曲线；
(B): Pd82Si18合金最大孔隙尺寸随着时间的变化曲线；
(C): Pd82Si18合金中孔隙附近化学成分随着时间的变化曲线；
(D): Cu46Zr54合金中孔隙附近化学成分随着时间的变化曲线。

图3 Pd82Si18合金成分与成穴位置的关系（Pd原子和Si原子分别用黄色球和蓝色球表示）
(A): Pd成分分布随着近空穴区域增加的变化情况；
(B): 原始体系中的成穴位置点（紫色球）。

图4 关键空穴周围的低配位数Pd多面体团簇
(A): 关键空穴周围低配位数Pd多面体团簇的结构演化（空穴中心、Pd原子、Si原子以及Pd中心原子分别用黑色、黄色、蓝色和粉色小球表示）；
(B): 关键空穴体积分数与低配位数Pd多面体数量的关系；
(C): 关于关键空穴的形状相关信息，表明其为类似球形。

图5 Pd82Si18合金剪切诱发的空穴现象
(A): 压力及剪切应力随时间的变化情况；
(B): 最大空穴尺寸随时间的变化情况；
(C): 最大孔隙附近化学成分随着时间的变化曲线；
(D): 空穴周围低配位数Pd多面体团簇的结构演化（空穴中心、Pd原子、Si原子以及Pd中心原子分别用黑色、黄色、蓝色和粉色小球表示）。

图6 Cu46Zr54合金的拉伸驱动空穴现象
(A): 最大空穴尺寸随时间的变化情况；
(B): 空穴周围低配位数Cu多面体团簇的结构演化（空穴中心、Cu原子、Zr原子以及Cu中心原子分别用黑色、紫色、绿色和粉色小球表示）。

文献链接：How the toughness in metallic glasses depends on topological and chemical heterogeneity（PNAS，2016，doi: 10.1073/pnas.1607506113）

感谢材料人编辑部提供素材