物理所非晶塑性機理研究取得新進展

　　非晶合金的塑性變形機理一直是材料科學及凝聚態物理領域研究的熱點課題之一。非晶態合金和傳統的晶態合金不同，在非晶合金中原子排列無序，沒有晶態合金中的位錯，晶界等典型晶體缺陷。因此，非晶合金沒有好的塑性形變能力，也就是說非晶對于外加應力沒有好的耗散機制。通常情況下室溫變形時，幾乎所有的應力和應變都高度集中在厚度只有幾十個納米左右的剪切帶內，由于剪切帶附近局域溫度升高和剪切膨脹效應，剪切帶迅速軟化并擴展成裂紋，造成非晶合金的災難性斷裂。因此剪切帶的產生對非晶斷裂有重要作用。但多重剪切帶的產生和相互作用，如網絡型的多重剪切帶，可以起到耗散能量，分散應力的作用，從而在體系中產生一定的塑性形變。因此，研究非晶合金中的塑性變形機理對認識非晶形成的本質，探索有實際應用價值的塑性非晶合金具有重要意義。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）汪衛華研究組前幾年開發出一系列大塑性非晶合金材料，為研究非晶塑性機理這一重要材料和物理問題提供了模型體系。此后該研究組一直致力于非晶塑性機理的研究，并在最近取得新的進展。

　　在非晶合金研究中玻璃轉變和形變是兩個非常重要的基本科學問題，它們貌似不相關，實際上，大多數情況下也是被獨立進行研究的。玻璃轉變是液體向非晶態固體轉變的一個流動問題。2009年該研究組和日本東北大學合作發現，非晶合金的塑性形變和玻璃轉變密切相關［柳延輝等, Phys. Rev. Lett. 103, 065504 (2009)］。此后，在多年研究非晶合金中玻璃轉變，彈性性能和非晶形變的工作基礎上，該研究組進一步考察了玻璃轉變和塑性形變的關系，發現非晶合金的塑性形變的基本單元（切向轉變區域）和玻璃轉變的基本馳豫之一“Beta馳豫” 在激活能上幾乎相等，這說明非晶的形變和玻璃轉變有共同的結構起源［于海濱等, Phys　Rev　B　81, 220201(R) (2010)］。 該工作表明非晶形變機理問題和玻璃轉變一樣可以統一從流動（Flow）的角度來進行研究。

　　前面已經陳述非晶合金的塑性和非均勻流變密切相關。在受限的加載（如壓縮，納米壓痕等）條件下，非晶材料通常表現為非晶合金應力-應變曲線上的鋸齒流變現象。鋸齒狀流動現象反映了剪切帶的間歇性運動行為，因此研究鋸齒流變可以從時域上來研究剪切帶動力學。雖然經典的非晶變形的“自由體積” 和“STZ”理論可以解釋非晶變形的局域化即剪切帶的形成，但并不能解釋這種鋸齒流變現象。最近，該研究組孫保安等從流動的角度，用非平衡態統計力學方法系統研究了鋸齒流變現象和非晶塑性機理之間的關聯。通過采用動力學中常用的時間序列分析方法及統計方法對具有不同塑性的非晶合金在壓縮過程中的鋸齒行為進行數值分析，發現脆性非晶合金（塑性應變<5%）的剪切帶動力學具有混沌（chaos）行為特點，鋸齒分布成峰狀分布，具有一定的相關作用維數及正的Lyapunov維數。而韌性非晶合金在變形過程中可以演變成自組織臨界狀態（self-organized criticality），表現為鋸齒大小的power-law分布，這是自組織臨界狀態的重要特征之一。這種動力學特征的出現是非晶合金具有塑性的重要機制之一。目前人們發現在自然界及物理、生物等領域很多復雜動力學系統中都存在自組織臨界狀態，如地震、磁疇動力學，材料的斷裂等。這種狀態通常表現為動力學事件在時間或空間上沒有特征的尺度分布（scale-free），內部大量的動力學單元之間的復雜相互作用等。韌性非晶合金能演化到這種動力學狀態，說明其在流變、變形過程中剪切帶的運動是非常復雜的，必須考慮多重剪切帶之間的相互作用。因此他們提出了一個多重剪切帶的動力學模型，在這個模型中考慮了剪切帶之間的相互作用項。隨后的理論分析及數值計算結果表明，大量剪切帶在相互作用下可以自然地演化到自組織臨界狀態，計算所得到鋸齒分布冪指數和實驗得出的結果基本一致。

　　他們的研究結果表明，在韌性非晶合金中，單個鋸齒并不對應一條剪切帶的傳播或擴展，而是多個剪切帶之間協同運動的結果。這對人們認識非晶合金的塑性變形機理，控制剪切帶的形成和發展，提高非晶合金的塑性具有重要意義。另一方面，他們的結果表明多重剪切帶之間的相互作用與描述地殼運動的模型在形式上有相似性，因此，非晶態體系或許可以成為模擬地殼動力學及地震的一個模型體系。

　　相關研究發表在近期的Phys Rev Lett 105, 035501(2010)上。相關工作得到了國家自然科學基金，973項目和中科院國際合作團隊項目的支持。