非晶合金延-脆剪切带转变研究取得进展

非晶合金（也称金属玻璃）是一类原子排列长程无序的新型金属结构材料，因具有高弹性、高强度、高韧性等一系列优异的力学性能，在空天、国防、能源等领域显示广阔的应用前景。然而，剪切带快速扩展导致的宏观脆性破坏，严重地制约了其广泛的工程应用，人们至今仍未能破解原子拓扑无序的非晶合金系统中纳米尺度剪切带究竟如何演化诱致宏观脆性破坏。

近期，中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室研究员戴兰宏团队针对这一问题取得新进展。研究人员发展了剪切变形可控“冻结”的切削技术和剪切带内部原子尺度微结构演变在位监测的声发射技术，首次捕捉到剪切带从萌生到演化终止过程中原子尺度体积膨胀的变化规律，揭示了剪切带演化程度与体积膨胀的关联性质。发现非晶合金存在两类剪切带，一类是剪切带扩展加速-减速-停止的延性剪切带，另一类是剪切带扩展启动后快速加速演化致破坏的脆性剪切带。延性剪切带控制非晶合金稳定塑性流动，而脆性剪切带控制非晶合金的宏观脆性破坏行为。

他们进一步建立了考虑原子尺度体胀引起有效无序温度变化效应的剪切带演化理论模型，进而提出了剪切带延脆转变准则，揭示了剪切带内部原子尺度体胀累积是延-脆剪切带转变的物理起源。上述研究结果，为破解非晶合金的剪切带演化诱致宏观脆性破坏之谜提供了重要线索。

该研究成果已发表于英国皇家学会会刊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)。研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目、中科院战略性先导B项目和前沿重点项目的资助。

图1 声发射捕捉剪切带内部原子尺度体胀原理和原子尺度体胀演变规律 

图2 (a)剪切带延脆转变力学行为; (b) 剪切带延脆转变准则；(c) 剪切带临界体胀值