【背景导读】
铁基金属玻璃具有高饱和磁感应强度、低铁芯损耗等优异性能，已成为无线充电、第五代技术和下一代电力变压器铁芯的最佳候选材料之一，受到了广泛关注。作为亚稳材料的一种，其制备过程中的冷却速率对力学变形行为等起着关键作用。较低的冷却速率实际上导致了材料的脆化行为，严重制约了材料的实际应用。虽然已经有许多实验和模拟研究了冷却速率对金属玻璃中原子结构和力学性能的影响，但由于原子结构未知，冷却速率影响的物理机制仍不清楚。本研究不仅揭示了冷却速率对宏观变形行为影响的微观结构根源，而且为通过在制备过程中冻结更多的类液体区域来增殖更多的剪切带形核位点进而提高塑性变形能力提供了新的启示。
【成果掠影】
中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队和新疆大学物理科学与技术学院合作培养的硕士研究生金纯波，在宁波材料所高萌研究员、王军强研究员以及新疆大学黎明灿副教授的共同指导下，选取三种极具应用潜力的铁基金属玻璃作为研究对象，系统研究了不同冷却速率下的纳米级结构非均匀性演变、剪切带成核动力学和相应的力学变形行为。研究成果以 “Nanoscale viscoelastic transition from solid-like to liquid-like enables ductile deformation in Fe-based metallic glass” 为题，发表在Journal of Materials Science & Technology 194 (2024) 63–74上。
【核心创新点】
金属玻璃中变形行为的载体被认为是剪切带，剪切带的形核、扩展和相互作用直接导致了材料在外加载荷作用下的各种变形行为。传统理论模型（如剪切转变区模型、自由体积模型和流动单元模型），只能在一定程度上对某些力学变形行为给出半定量的解释。本研究基于先进的静力显微镜和纳米压痕仪，给出了不同冷却速率下铁基金属玻璃的纳米尺度粘弹性和剪切带形核动力学的定量信息，精确定量信息对于确定金属玻璃微观结构与宏观物理性能之间的内在关系具有重要意义。与以往研究不同，本文首次给出了铁基金属玻璃纳米尺度结构非均匀性、微尺度剪切带成核动力学与宏观力学行为之间的多尺度关联。这种多尺度关系有助于揭示非晶材料的微观变形机制，这是凝聚态物理领域尚未解决的问题之一。
【成果启示】
我们的工作表明，纳米级粘弹性结构可以被认为是一种可调节的介质，可通过调节不同的内外因素来改善金属玻璃的力学性能。同时，基于纳米尺度结构非均匀性与微尺度剪切带成核动力学的相关性，除塑性外，还可定量调整其他力学性能，如断裂韧性、抗蠕变性能和疲劳性能等。基于所提出的物理机制，可以提出一系列通过激活更多纳米级类液体区域来设计具有优异力学性能金属玻璃的新策略，如提高冷却速率和施加循环加载，这些策略对于金属玻璃的实际应用具有重要的价值。
致谢：本工作得到了国家自然科学基金项目，宁波市创新青年人才项目，中国科学院青年创新促进会项目，浙江省自然科学基金项目，浙江省自然科学基金与衢州市区域创新发展联合基金项目，新疆维吾尔自治区自然科学基金项目的支持。同时，非常感谢与蔡远飞博士进行的有益讨论。
【数据概览】
Fig.1 不同冷却速率下Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1金属玻璃的制备方案与微观结构表征
Fig.2 不同冷却速率下Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1金属玻璃的力学变形行为
Fig.3 不同冷却速率下Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1金属玻璃的剪切带形核动力学信息
Fig.4 不同冷却速率下Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1金属玻璃的纳米级粘弹性表征
Fig.5 铁基金属玻璃冷却速率诱导韧脆变形模式转变的物理机制
（金纯波）