金屬玻璃材料（以下簡(jiǎn)稱非晶）具有很多獨(dú)特優(yōu)異的性能，是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。不過(guò)有一個(gè)現(xiàn)象目前還沒(méi)有一個(gè)合理的解釋，那就是非晶的斷裂韌性表現(xiàn)出很大的差異，不同非晶的韌性值會(huì)相差非常大，那么，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是什么？或者說(shuō)，是什么因素決定著非晶的韌性強(qiáng)弱？

    針對(duì)上述問(wèn)題，來(lái)自加州理工學(xué)院的研究人員近日在PNAS上發(fā)表了他們的相關(guān)研究成果。它們通過(guò)彎曲試驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，對(duì)兩種二元非晶Pd82Si18和Cu46Zr54進(jìn)行了研究，希望能夠探求到非晶韌性的本源。

    彎曲試驗(yàn)的結(jié)果顯示，Pd82Si18的韌性遠(yuǎn)高于Cu46Zr54，這是由于Pd82Si18不易通過(guò)結(jié)構(gòu)中的空穴形成裂紋，從而具有更強(qiáng)的塑性變形能力。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬了兩種材料空穴作用的初始階段，并試圖找出過(guò)程中的關(guān)鍵控制因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于韌性高的Pd82Si18，空穴作用同時(shí)受成分不均勻性及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)因素的影響，而對(duì)于韌性低的Cu46Zr54，僅僅是空穴附近的拓?fù)涞团湮欢嗝骟w在起作用。因此，化學(xué)成分的不均勻性使得在Pd82Si18中形成空穴更加困難，從而增強(qiáng)了它的韌性，而Cu46Zr54在形成空穴時(shí)沒(méi)有成分的不均勻性，需要克服的能量勢(shì)壘更低，導(dǎo)致了低的韌性。

    文獻(xiàn)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(cè)的SEM照片，表現(xiàn)出災(zāi)難性裂紋以及少量剪切帶；（C）： Pd82Si18合金樣品變形后受拉一側(cè)的SEM照片，表現(xiàn)出高密度的剪切帶，未發(fā)現(xiàn)任何的開口或微裂紋。

    圖2 Pd82Si18和Cu46Zr54合金拉伸驅(qū)動(dòng)的空穴現(xiàn)象

    （A）： 在均勻增加的凈水拉應(yīng)力條件下壓力隨時(shí)間及應(yīng)變的變化曲線；

    （B）： Pd82Si18合金最大孔隙尺寸隨著時(shí)間的變化曲線；

    （C）： Pd82Si18合金中孔隙附近化學(xué)成分隨著時(shí)間的變化曲線；

    （D）： Cu46Zr54合金中孔隙附近化學(xué)成分隨著時(shí)間的變化曲線。

    圖3 Pd82Si18合金成分與成穴位置的關(guān)系（Pd原子和Si原子分別用黃色球和藍(lán)色球表示）

    （A）： Pd成分分布隨著近空穴區(qū)域增加的變化情況；

    （B）： 原始體系中的成穴位置點(diǎn)（紫色球）。

    圖4 關(guān)鍵空穴周圍的低配位數(shù)Pd多面體團(tuán)簇

    （A）： 關(guān)鍵空穴周圍低配位數(shù)Pd多面體團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)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(lán)色和粉色小球表示）；

    （B）： 關(guān)鍵空穴體積分?jǐn)?shù)與低配位數(shù)Pd多面體數(shù)量的關(guān)系；

    （C）： 關(guān)于關(guān)鍵空穴的形狀相關(guān)信息，表明其為類似球形。

    圖5 Pd82Si18合金剪切誘發(fā)的空穴現(xiàn)象

    （A）： 壓力及剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況；

    （B）： 最大空穴尺寸隨時(shí)間的變化情況；

    （C）： 最大孔隙附近化學(xué)成分隨著時(shí)間的變化曲線；

    （D）： 空穴周圍低配位數(shù)Pd多面體團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)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(lán)色和粉色小球表示）。

    圖6 Cu46Zr54合金的拉伸驅(qū)動(dòng)空穴現(xiàn)象

    （A）： 最大空穴尺寸隨時(shí)間的變化情況；

    （B）： 空穴周圍低配位數(shù)Cu多面體團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)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）。