非晶合金因其优异的力学性能和功能特性，在众多工程领域展现出了广阔的应用前景。同时，这些金属键主导的相对简单玻璃体系也是理解非晶态物质的本质和玻璃化转变等基本科学问题的重要模型体系。然而，到目前为止人们对这类材料中塑性变形行为的基本特征还存在若干重大争议，例如非晶合金在原子尺度上的结构不均匀程度，以及剪切转变区域的大小和分布等。当前的实验和计算模拟手段一直未能解决这些争议问题：实验表征上很难准确地同时达到相应的空间尺度（埃级别）和时间尺度（皮秒级别），而计算模拟上只能制备出极高冷却速率的非晶样品（通常大于109K/s），从而与真实实验样品存在巨大的差距。
针对这一问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心（CAID）张真助理教授、丁俊教授和马恩教授，通过分子动力学和蒙特卡罗方法的结合运用，模拟出接近真实实验冷速（最低达到500 K/s）的CuZr非晶合金，并对十个数量级差异的冷却速度下获得的体系进行了系统的比较研究。结果表明经典理论受限于以往分子模拟的超高冷却速率，引入了过量的“类液区域”，高估了非晶合金中存在的结构不均匀程度和参与基本塑性事件（剪切转变区）的原子数目。相比较而言，更接近真实实验室冷速的非晶合金中微观结构变得更加均匀，不存在明显低密度的“类液区”（图1）。该研究发现，具有本征结构不均匀性的非晶合金在接近屈服应变时只有2%左右的原子发生了剪切转变，典型的剪切转变区只包含约10个原子（图2）。本研究修正了对非晶合金中微观塑性事件基本特征的理解，对于设计高性能非晶态材料具有重要指导意义。
图1 冷速对Cu50Zr50非晶合金中结构不均匀性的影响
A、C原子振动位移和激活能的空间分布 B、D原子振动位移和激活能的概率分布
图2 A剪切应力-应变曲线 B冷速对Cu50Zr50非晶中剪切转变区平均尺寸（包含原子数量）的影响
C、D接近屈服点时参与塑性变形原子的空间分布
日前，该研究成果以"非晶合金中剪切转变的本征特性"（Shear transformations in metallic glasses without excessive and predefinable defects)为题发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文唯一单位，西安交大材料学院张真助理教授为论文第一作者，丁俊教授和马恩教授为论文共同通讯作者。
论文链接地址：https://doi.org/10.1073/pnas.2213941119