非晶合金（也稱金屬玻璃）是一類原子排列長程無序的新型金屬結構材料，因具有高彈性、高強度、高韌性等一系列優異的力學性能，在空天、國防、能源等領域顯示廣闊的應用前景。然而，剪切帶快速擴展導致的宏觀脆性破壞，嚴重地制約了其廣泛的工程應用。至今人們仍未能破解原子拓撲無序的非晶合金系統中納米尺度剪切帶究竟如何演化誘致宏觀脆性破壞。
近期，中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室戴蘭宏研究員團隊針對這一問題取得重要進展。研究人員發展了剪切變形可控“凍結”的切削技術和剪切帶內部原子尺度微結構演變在位監測的聲發射技術，首次捕捉到剪切帶從萌生到演化終止過程中原子尺度體積膨脹的變化規律，揭示了剪切帶演化程度與體積膨脹的關聯性質。
圖1 聲發射捕捉剪切帶內部原子尺度體脹原理和原子尺度體脹演變規律
發現非晶合金存在兩類剪切帶：一類是剪切帶擴展加速-減速-停止的延性剪切帶；另一類是剪切帶擴展啟動后快速加速演化致破壞的脆性剪切帶。延性剪切帶控制非晶合金穩定塑性流動，而脆性剪切帶控制非晶合金的宏觀脆性破壞行為。
圖 2 (a)剪切帶延脆轉變力學行為；(b) 剪切帶延脆轉變準則；(c) 剪切帶臨界體脹值
他們進一步建立了考慮原子尺度體脹引起有效無序溫度變化效應的剪切帶演化理論模型，進而提出了剪切帶延脆轉變準測，揭示了剪切帶內部原子尺度體脹累積是延-脆剪切帶轉變的物理起源。上述研究結果，為破解非晶合金的剪切帶演化誘致宏觀脆性破壞之謎提供了重要線索。
該研究成果已發表在英國皇家學會會刊Proceedings of the Royal Society A ( F.Zeng, M.Q.Jiang, L.H.Dai, Dilatancy induced dutile-brittle transition of shear band in metallic glasses, 2018, A474, 20170836)。
研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院戰略性先導B項目和前沿重點項目的資助。
戴蘭宏，中國科學院力學研究所研究員，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，中國科學院“百人計劃”和“新世紀百千萬人才工程”國家級人選入選者。
中科院力學研究所戴蘭宏供稿，非晶中國整理編輯。
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