非晶合金因其独特的物理/力学行为而受到固体力学、凝聚态物理和材料科学等领域的广泛关注，如何构建非晶合金微观结构信息与变形行为之间的关联对于理解非晶固体的黏弹性力学行为有重要研究意义。

针对上述问题，力学与土木建筑学院乔吉超教授课题组对非晶合金进行跨尺度变形行为研究，研究结果有助于理解非晶合金变形机制，相关研究工作发表于International Journal of Plasticity。

主要成果一：在过渡态理论框架下将非晶合金拓扑结构与应变相关联，探测了多种典型非晶合金非稳态蠕变机制（如图1所示）。在玻璃转变温度以下，非晶合金力学响应受次几弛豫过程和构形熵影响，激活体积与激活能随应变增加而准线性增大。达到玻璃转变后，激活体积与激活能保持恒定，与应变无关。这些新发现有助于增进对非晶合金非稳态变形行为的进一步认识

博士研究生张浪渟为第一作者，乔吉超教授和西班牙加泰罗尼亚理工大学Daniel Crespo教授为共同通讯作者。共同作者有中科院力学研究所王云江研究员、香港城市大学杨勇教授、法国国立里昂应用科学学院(INSA Lyon) J. M. Pelletier教授、西班牙加泰罗尼亚理工大学E. Pineda教授和M. Nabahat博士。该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 51971178、52271153、12072344)、陕西省杰出青年基金(No. 2021JC-12)以及香港政府研究资助局(Nos. CityU11200719、CityU11213118)等项目的资助。

图1 基于过渡态理论计算非晶合金激活体积与激活能

主要成果二：由于其热力学非平衡性质，在考虑结构状态演化的同时描述非弹性变形相当困难。我们通过将结构状态变化的参数纳入传统变形理论来解决这一挑战。通过分析不同变形条件下单轴拉伸及应力松弛过程中的缺陷浓度演化，我们在自由体积理论框架内描述了相关实验结果，有效地分离了老化和回春两个竞争过程对变形的贡献（如图2所示）。

博士研究生郝奇为第一作者，乔吉超教授和吕国建副教授为共同通讯作者。共同作者有西班牙加泰罗尼亚理工大学E. Pineda教授，中科院力学研究所王云江研究员，香港城市大学杨勇教授，法国国立里昂应用科学学院(INSA Lyon)J.M. Pelletier教授。该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 51971178, 52271153, 12072344)、中国科学院青年创新促进会、陕西省杰出青年基金 (No. 2021JC-12)、香港政府研究资助局(CityU11206362 和CityU109/21)、西班牙Proyecto (PID2020–112975GB-I00)、MCIN/AEI /10.13039/501100011033、AGAUR grant 2021-SGR-00343、西北工业大学博士论文创新基金(No. CX2023054)等项目的资助。

图2 拉伸过程中应力与缺陷浓度随应变演化过程的实验和计算结果

主要成果三：将分级关联的原子运动视为非晶合金中的基本运动模式，解释了在循环加载条件下蠕变应变速率响应中从三个区域向两个区域转变的现象。研究结果表明，蠕变响应涉及两种基本变形机制，其特点是具有不同的原子运动关联性（如图3所示）。新的蠕变机制解决了准点缺陷理论在描述长时间蠕变方面的局限性。此外，在广泛的应力和温度条件下研究了热效应和力效应对上述变形机制的影响。

硕士研究生朱凡为第一作者，乔吉超教授为通讯作者。共同作者有西北工业大学博士研究生邢光辉、中科院力学研究所王云江研究员和西班牙加泰罗尼亚理工大学E. Pineda教授。该研究得到了国家自然科学基金(Nos. 51971178、52271153、12072344)、陕西省杰出青年基金(No. 2021JC-12)以及中央高校基本科研业务费(No. D5000220034)等项目的资助。

图3 不同循环次数下非晶合金蠕变曲线与拟合结果

主要成果四：本研究借助纳米压痕和微柱压缩探究了不同能量状态非晶合金锯齿流变转变和剪切带扩展机制（如图4所示）。通过锯齿滑移动力学统计，获得了应力弛豫持续时间和弛豫速率，并结合剪切带特征，发现回春态样品变形是通过小滑移进行。从缩放指数、锯齿持续时间和应力弛豫速率的角度，建立了剪切转变区的局部激活与宏观剪切带的产生之间的联系。本文揭示了非晶合金从结构弛豫到回春中锯齿滑移转变机制，有助于加深对无序固体塑性的理解。

博士研究生陶凯为第一作者，乔吉超教授和中国科学院物理研究所柳延辉研究员和李福成博士为论文共同通讯作者。共同作者有山东大学宋凯凯教授和西班牙加泰罗尼亚理工大学E. Pineda教授。该研究得到了国家自然科学基金(Nos：51871132、51971178、52201195、52271153和52331007)和中央高校基本科研业务费专项资金(No：D5000220034)的资助。中国博士后科学基金(2020TQ0346)，陕西省杰出青年基金(No：2021JC-12)，西班牙MICINN (PID2020–112975GB-I00) 和加泰罗尼亚政府(2021SGR00343)等项目资助

图4 不同能量状态下非晶合金压缩过程中锯齿流变现象

论文信息如下：

[1] L.T. Zhang, Y.J. Wang, M. Nabahat, E. Pineda, Y. Yang, J.M. Pelletier, D. Crespo*, J.C. Qiao*, Creep deformation in metallic glasses: A global approach with strain as an indicator within transition state theory, International Journal of Plasticity. 174 (2024) 103923. (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103923)

[2] Q. Hao, G.J. Lyu*, E. Pineda, J.M. Pelletier, Y.J. Wang, Y. Yang, J.C. Qiao*, International Journal of Plasticity. 175 (2024) 103926. (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103926)

[3] F. Zhu, G.H. Xing, Yun-Jiang Wang, E. Pineda, J.C. Qiao*, Quantifying contribution of hierarchically correlated shear microdomains underlying creep in metallic glass, International Journal of Plasticity. 174 (2024) 103900. (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103900)

[4] K. Tao, F.C. Li*, Y.H. Liu*, E. Pineda, K.K. Song, J.C. Qiao*, Distinct avalanche dynamics detected in metallic glasses with high energy state revealing the crack-like shear banding mechanism, International Journal of Plasticity. 174 (2024) 103873. (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103873)

文图：张浪渟 朱凡 郝奇 陶凯

审核：温志勋