玻璃你是見過的，金屬玻璃你了解嗎？
當液態金屬冷卻成固體時，一般會發生結晶，得到固態金屬。但是，如果讓液態金屬的冷卻速度急劇加快，譬如每秒鐘降溫十萬甚至百萬攝氏，金屬原子就會無序排列，不會結晶，形成金屬玻璃。
金屬玻璃是一種非晶態金屬材料，它并不透明，但是既具有金屬的硬度，又具有一定的韌性，是迄今為止最強的金屬材料和最軟的金屬材料之一，在電子產品、汽車零部件、航空航天以及國防領域具有廣泛的用途，被稱為敲不碎、砸不爛的“玻璃之王”。
輕質金屬材料制造的汽車概念圖
自1960年問世以來，科學家對金屬玻璃展開了長達半個世紀的深入研究。值得一提的是，中科院物理所柳研輝研究員在此方面做出了一系列重要突破。2019年，柳延輝團隊打破傳統局限，研制出一種具有極高強度和玻璃形成能力的高溫塊體金屬玻璃合金。這一成果為金屬玻璃材料進入更廣泛的實用化提供了新的途徑，剛剛并入選2019年中國科學十大進展。
但是，金屬玻璃還有一個致命傷：在應力作用下發生軟化。
普通金屬一般會產生應變硬化的現象。譬如你把一根金屬針彎曲一下，隨著彎曲程度越來越大，最尖銳的地方會變得越來越硬。而金屬玻璃則不同，由于金屬玻璃內部原子的非晶態無序排列，在應力作用下反而會發生軟化行為，甚至導致斷裂，這種行為極大地限制了金屬玻璃的廣泛應用。
有鑒于此，中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學A. L. Greer教授合作，今日在Nature發文，克服金屬玻璃致命傷，首次實現了塊體非晶材料的加工硬化，被哈佛大學著名材料學家Frans Spaepen教授盛贊。
普通金屬與金屬玻璃在應變下的不同表現，主要取決于原子尺度的變形機制。對于普通金屬而言，應變產生的位錯導致塑性變形，使材料強度增強。而對于金屬玻璃而言，由于其非晶結構，沒有位錯，只能通過剪切發生塑性變形，這種變形模式會影響整個金屬玻璃中的剪切轉變區域（STZ）的小部分原子，使原子結構松散，并進一步導致新的剪切轉變區的形成，最終導致材料軟化。
考慮到剪切會在材料表面上形成臺階，屬于是宏觀行為。因此，通過施加適當的限制，是有可能抑制這種剪切行為的。于是，研究人員通過在圓柱狀金屬玻璃棒的圓周上切一個較深的窄槽口并沿其軸線方向對其進行壓縮，實現了這種抑制效果。
研究人員先讓靠近桿中間的缺口位置產生極大塑性變形，剪切帶被桿的外部施加力的約束所抑制。然后，切出中間未受影響的樣品，在拉伸或壓縮下變形。他們發現，所得材料表現出與常規結晶金屬相似的性能：實現加工硬化，且不形成剪切帶。
圖1. 實驗流程
為什么會造成這種非常規的硬化機制呢？
這要從讓晶體和金屬的基態說起。處于未變形基態的晶體具有最低的流應力。在變形過程中引入位錯會耗費能量，并且它們的糾纏會增加流動應力。但是，處于基態的玻璃具有最大的流應力，因為它的STZ數量最少。這種狀態的變形會消耗能量，但是通過剪切誘導的擴張會引入新的STZ，從而降低流動應力。
研究人員在約束條件下使金屬玻璃樣品發生嚴重變形，將玻璃的能量提高到遠高于基態的能量。當作者在拉伸或壓縮試驗的較少約束條件下使它們變形時，結構弛豫開始出現：原子堆積增加，早期變形引入的體積消失；STZ數量下降，導致流應力增加，并最終實現了應力硬化。
圖2. 結構表征
總之，這項工作對于金屬玻璃的結構應用的起到了重要推動作用，雖然目前實驗的樣品只有3毫米長。除此之外，這項技術為探索玻璃復雜的構效關系開辟了新的途徑，進一步促進了玻璃科學的發展。
如何使這項技術能大規模應用于塊體金屬玻璃，是今后應該考慮的問題。
參考文獻：
1.J. Pan et al. Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenatedbulk metallic glass. Nature 2020
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2016-3
2.Frans Spaepen. Metallic glasses rejuvenated to harden under strain. Nature 2020
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00468-9
