与晶体不同，非晶固体的特点是缺乏长程结构秩序。非晶态材料在我们的日常生活中无处不在(硅玻璃、胶体、凝胶、颗粒材料等)，而且跨度相当大。金属玻璃也像传统玻璃一样具有无序结构，但它们的原子像传统金属一样通过金属键紧密地聚集在一起。这种独特的组合带来了特殊的性能，如高强度，硬度和韧性。因此，金属玻璃是一类非常优异的材料，被视为非晶体固体材料和先进材料的持续革命。然而，它们的强度增加是以降低延性为代价的。在玻璃化转变以下的使用温度下，金属玻璃的塑性变形高度局限于狭窄的剪切带。与晶体材料相比，金属玻璃在变形时变得更柔软。剪切软化最终导致结构无序和局部过量体积产生的自催化过程。应变软化行为是屈服后形成的高度局部化、快速剪切带的根源。通过剪切带的变形机制是有害的，因为它促进了破坏。因此，理解和控制剪切带的形成和传播是使金属玻璃在更广泛的应用中有用的重要参考。
金属玻璃的结构与力学性能之间的关系目前还不清楚。难以获得精确且定义良好的原子和纳米级结构信息。首先，金属玻璃是无序的材料，不能用一个单一的结构单元来描述。其次，金属玻璃是热力学不平衡的材料，使其性能取决于其热历史。然而，通过在无序中寻找有序，金属玻璃合金中存在短期甚至中期有序。随着时间推移，人们已然可以识别和表征原子尺度的非均质性，并建立结构/性能与变形行为之间的相关性。然而，即使是最复杂的方法，如基于机器学习框架的方法，也不能令人满意地描述金属玻璃中非均匀性和局部塑性事件之间的联系，并以此建立一个通用的结构-塑性谱图。
基于此，奥地利科学院Erich Schmid材料科学研究所D. Şopu研究员全新地评估和澄清了剪切转变区(shear transformation zones, STZs)自组装机制的原子机制，并提供了一个新的双单元模型，这对理解STZ的逾渗和剪切带形成至关重要。对STZ-Vortex机制及其在剪切带动力学领域的应用，以及金属玻璃中变形机制的原子描述进行了全新描述，同时还指出了一些关于金属玻璃变形和弛豫机制尚未解决的的问题。相关论文以题为“STZ-Vortex model the key to understand STZ percolation
and shear banding in metallic glasses”发表在Journal of Alloys and Compounds上。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838823018881
图1 由(a)非仿射位移和(b)剪切应力分量表示的二维Lennard Jones模型玻璃中的STZ。非晶硅样品在MD模拟中的STZ由(c)和(d)中的非仿射位移表示。
图2 STZ激活和Vortex运动示意图。
图3左侧为剪切带尖端的von-Mises应变、位移矢量和旋转角度。右侧为通过双单元STZ-Vortex模型的STZ逾渗示意图。
图4 Cu64Zr36金属玻璃在准静态剪切过程中的应力应变响应、原子应变和旋转。
总之，作者利用分子动力学模拟，深入了解了金属玻璃剪切带过程的原子机制，并提出了一个描述STZ自组装的新的双单元模型。其机制是基于连续强应变和旋转场的自催化形程。围绕STZ的四极性应变分布所产生的旋转场在原子应变上也呈现四极性分布。作者提出的新模型的一个主要优点是，STZ的旋转运动的方向性特征定义了剪切方向，对剪切带动力学有很大的影响。两个单元的STZ-Vortex机制对于理解STZ的逾渗和剪切带的形成至关重要。新的STZ-Vortex模型进一步发展了剪切带动力学和金属玻璃变形机制的描述，如剪切带的形成、相互作用、形态、分支、倍增和偏转机制。此外，STZ-Vortex机制提供了从断裂到局部剪切带和均匀变形的脆性到延性转变的原子尺度理解。（文：Keep real）
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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