PNAS: 拓撲結構及成分不均勻性如何影響非晶的韌性？

金屬玻璃材料（以下簡稱非晶）具有很多獨特優異的性能，是當今科學研究的熱點之一。不過有一個現象目前還沒有一個合理的解釋，那就是非晶的斷裂韌性表現出很大的差異，不同非晶的韌性值會相差非常大，那么，出現這種現象的原因是什么？或者說，是什么因素決定著非晶的韌性強弱？

針對上述問題，來自加州理工學院的研究人員近日在PNAS上發表了他們的相關研究成果。它們通過彎曲試驗和分子動力學模擬的方法，對兩種二元非晶Pd82Si18和Cu46Zr54進行了研究，希望能夠探求到非晶韌性的本源。

彎曲試驗的結果顯示，Pd82Si18的韌性遠高于Cu46Zr54，這是由于Pd82Si18不易通過結構中的空穴形成裂紋，從而具有更強的塑性變形能力。通過分子動力學模擬了兩種材料空穴作用的初始階段，并試圖找出過程中的關鍵控制因素。結果發現，對于韌性高的Pd82Si18，空穴作用同時受成分不均勻性及拓撲結構兩個因素的影響，而對于韌性低的Cu46Zr54，僅僅是空穴附近的拓撲低配位多面體在起作用。因此，化學成分的不均勻性使得在Pd82Si18中形成空穴更加困難，從而增強了它的韌性，而Cu46Zr54在形成空穴時沒有成分的不均勻性，需要克服的能量勢壘更低，導致了低的韌性。

文獻圖注

圖1 (A): Pd82Si18和Cu46Zr54合金1mm圓棒的彎曲載荷位移曲線；(B): Cu46Zr54合金樣品斷后受拉一側的SEM照片，表現出災難性裂紋以及少量剪切帶；(C): Pd82Si18合金樣品變形后受拉一側的SEM照片，表現出高密度的剪切帶，未發現任何的開口或微裂紋。

圖2 Pd82Si18和Cu46Zr54合金拉伸驅動的空穴現象
(A): 在均勻增加的凈水拉應力條件下壓力隨時間及應變的變化曲線；
(B): Pd82Si18合金最大孔隙尺寸隨著時間的變化曲線；
(C): Pd82Si18合金中孔隙附近化學成分隨著時間的變化曲線；
(D): Cu46Zr54合金中孔隙附近化學成分隨著時間的變化曲線。

圖3 Pd82Si18合金成分與成穴位置的關系（Pd原子和Si原子分別用黃色球和藍色球表示）
(A): Pd成分分布隨著近空穴區域增加的變化情況；
(B): 原始體系中的成穴位置點（紫色球）。

圖4 關鍵空穴周圍的低配位數Pd多面體團簇
(A): 關鍵空穴周圍低配位數Pd多面體團簇的結構演化（空穴中心、Pd原子、Si原子以及Pd中心原子分別用黑色、黃色、藍色和粉色小球表示）；
(B): 關鍵空穴體積分數與低配位數Pd多面體數量的關系；
(C): 關于關鍵空穴的形狀相關信息，表明其為類似球形。

圖5 Pd82Si18合金剪切誘發的空穴現象
(A): 壓力及剪切應力隨時間的變化情況；
(B): 最大空穴尺寸隨時間的變化情況；
(C): 最大孔隙附近化學成分隨著時間的變化曲線；
(D): 空穴周圍低配位數Pd多面體團簇的結構演化（空穴中心、Pd原子、Si原子以及Pd中心原子分別用黑色、黃色、藍色和粉色小球表示）。

圖6 Cu46Zr54合金的拉伸驅動空穴現象
(A): 最大空穴尺寸隨時間的變化情況；
(B): 空穴周圍低配位數Cu多面體團簇的結構演化（空穴中心、Cu原子、Zr原子以及Cu中心原子分別用黑色、紫色、綠色和粉色小球表示）。

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

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