金屬玻璃的室溫塑性變形通常被限制在主剪切帶中，由此引起應變軟化與脆性失效。為減弱此效應，拓撲異質結構被引入至非晶合金，促進變形過程中多重剪切帶的產(chǎn)生。不同于以往對拓撲結構的調控及基于剪切帶的變形模式，近日，西安交大材料學院微納中心（CAMP-Nano）吳戈教授、單智偉教授團隊通過化學成分設計，在非晶合金中構筑納米尺寸化學異質疇，來大幅增強其在壓縮和拉伸下的均勻塑性流變。

為了使合金具備較高的玻璃形成能力，元素間的混合焓需要為負。然而，為了使合金內存在化學成分明顯不同的非晶納米疇，以實現(xiàn)納米疇間較大的力學性能差異，需阻止合金制備過程中相鄰納米疇間的原子擴散。因此，不同納米疇主元之間的混合焓需要為正。這兩個看似矛盾的條件在Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY多級納米化學異質非晶合金中得到調和（其中XX與YY為其它元素）。在這種非晶合金中，單個納米疇內的元素間具備較大的負混合焓，而不同納米疇主元Ti和Mg之間的混合焓為正。納米疇借助非晶合金在納米尺度均勻塑性流變的優(yōu)勢，使得整體合金具備較高的均勻塑性變形（且具備應變硬化）。在塑性流變過程中，剪切轉變區(qū)的全域激活引起原子重排，使得相鄰納米疇之間發(fā)生動態(tài)原子混合。這一行為減弱了不同納米疇的模量差異，從而阻礙了由于界面應力集中引起的失效，提高了整體材料的力學穩(wěn)定性。

因此，Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY多級納米化學異質非晶合金在室溫壓縮實驗中顯示~2%的彈性變形與~40%的均勻塑性流變，相比于以往的單相非晶合金和異質結構非晶合金均有較大的提升。這種使用納米尺寸化學異質疇的合金設計以及界面區(qū)的動態(tài)原子混合機制展示了一種開發(fā)高強高塑性非晶合金的新思路。

此工作以“Substantially enhanced homogeneous plastic flow in hierarchically nanodomained amorphous alloys”為題發(fā)表在Nature Communications。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為論文第一作者單位和第一通訊單位。吳戈教授（西安交大）為論文第一作者兼通訊作者，劉暢教授（西安交大）為論文共同通訊作者。作者包括：劉思達教授（山東大學，現(xiàn)已入職西安交大）、王慶教授（上海大學）、饒婧博士（德國馬普所）、夏文真教授（安徽工業(yè)大學）、閆永強博士生（西安交大）、Jürgen Eckert教授（奧地利科學院）、馬恩教授（西安交大）、單智偉教授（西安交大）。該研究得到了國家自然科學基金委及國家青年人才計劃的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39296-6

圖1 混合焓指導合金設計。a 合金設計策略的示意圖。 b 典型的平視和側視明場TEM 圖。 c 放大的 HAADF-STEM 圖。 d-e EDS mapping圖（這里只顯示Ti與Mg）。

圖 2 多級納米化學異質非晶合金的力學性能。a 室溫下相同測試條件下微柱樣品的壓縮工程應力-應變曲線。b-d 壓縮后相應的Mg-Zn-Ca非晶合金、Ti-Zr-Nb-Si非晶合金和多級納米化學異質非晶合金的SEM圖。e 非晶合金歸一化屈服強度(σ_y/E)與均勻形變（不產(chǎn)生剪切帶）性能比較圖。

圖 3 塑性變形過程中不同納米化學異質疇之間的動態(tài)原子混合行為。a-c不同應變下材料的HAADF-STEM圖。 d材料在應變>70%時的BF-STEM圖。Maze-like花樣證實了其非晶結構。 e-g發(fā)生變形區(qū)域（由(a-c)中的白色箭頭指示）的一維成分分布，顯示不同納米化學異質疇的成分差異隨著應變的增加而減小。

圖 4 動態(tài)原子混合機制示意圖

圖 5 多級納米化學異質非晶合金的原位TEM拉伸變形行為。b–f 多級納米化學異質非晶合金在拉伸時的明場TEM圖。 g-h (f) 中紅色虛線框區(qū)域的放大HRTEM圖。i 多級納米化學異質非晶態(tài)合金在拉伸過程中的變形示意圖。顯示了在裂紋產(chǎn)生前材料發(fā)生均勻塑性變形，裂紋產(chǎn)生后均勻塑性流變區(qū)橋連裂紋，從而減緩裂紋擴展。 j–l 參照組Mg-Zn-Ca和Ti-Zr-Nb-Si非晶態(tài)合金在拉伸過程中的明場TEM 圖。m 參照組非晶態(tài)合金在拉伸過程中的變形示意圖，顯示了裂紋由剪切帶區(qū)域快速擴展。