突破60年瓶颈！我国学者实现金属玻璃“刚韧并济”瓶颈

> 提到金属玻璃，材料学家们又爱又恨：它强度极高，却像普通玻璃一样脆，一拉就断。如今，一项研究通过巧妙的结构调控，让金属玻璃同时获得了高强度和大塑性，突破了这个困扰学界60年的难题。

近日，来自东南大学的沈宝龙教授领衔的研究团队在《nature communications》上发表了一项突破性研究Transformation-mediated and relaxation-assisted macroscopic tensile plasticity with strain-hardening in metallic glass，通过一种特殊的处理方式，成功让铁基金属玻璃的拉伸塑性从2.8%提升至10%，同时实现了明显的应变硬化效应。

这一突破不仅克服了金属玻璃固有的脆性问题，更揭示了其背后全新的变形机制，为这种高性能材料的实际应用打开了新局面。

01 金属玻璃：材料界的“玻璃侠”

金属玻璃，顾名思义，是一种具有玻璃态非晶结构的金属材料。它与我们日常见到的窗玻璃有相似之处——原子排列长程无序，没有晶体材料那样的规则晶格。

但这种特殊的结构也赋予了它非凡的特性：强度极高、弹性极限大、耐腐蚀性能好。特别是铁基金属玻璃，还具备优异的软磁性能，在高效率电磁设备中已有商业应用。

然而，金属玻璃有一个致命弱点：脆。特别是在拉伸条件下，它几乎像普通玻璃一样，稍微一拉就会断裂。这种脆性源于其变形机制——塑性应变会集中在极薄（10-20纳米）的剪切带中，导致局部软化、剪切带迅速扩展并最终断裂。

在过去60年中，尽管科学家们尝试了成分设计、高压扭转、冷轧等多种方法，但金属玻璃的拉伸塑性提升依然有限，大多数情况下不超过2%。这个“脆性瓶颈”严重限制了金属玻璃作为结构材料的应用前景。

## 02 突破之道：深冷热循环的妙用

东南大学团队另辟蹊径，采用了一种称为“快速深冷热循环”的处理方法。他们将Fe₇₅Co₈B₁₀Si₂C₃P₁金属玻璃带在463K（约0.69Tg，Tg为玻璃转变温度）的硅油浴和液氮之间快速切换，每个循环分别为60秒、30秒和15秒。

这种处理看似简单，却引发了材料内部结构的深刻变化。与通常导致金属玻璃脆化的退火处理不同，CTC处理在减少自由体积的同时，意外地增强了材料的塑性。

效果最为显著的CTC30样品（循环30秒），拉伸塑性从处理前的2.8%大幅提升至10%，同时保持了约1120 MPa的屈服强度，极限抗拉强度更是高达1680 MPa。

更令人惊喜的是，材料表现出了明显的应变硬化行为——随着变形量增加，材料反而变得更“硬”了。这在不均匀变形区域的金属玻璃中是前所未有的。

## 03 微观奥秘：多尺度结构异质性的协同

为什么简单的温度循环会产生如此神奇的效果？深入研究揭示了背后的微观机制。

首先，CTC处理显著增强了β弛豫。β弛豫是金属玻璃中的一种原子尺度的运动模式，与塑性变形能力密切相关。研究发现，CTC处理后β弛豫的激活能降低了32%，从154 kJ/mol降至105 kJ/mol，这意味着原子更容易发生协同重排，促进了多重剪切带的形成。

其次，处理诱发了独特的化学起伏和结构异质性。在CTC30样品中，形成了由富铁中程有序团簇和富类金属团簇相互连接构成的网络结构。这些团簇尺寸约1纳米，具有类似α-Fe的结构特征。

最重要的是，这种多尺度异质结构在变形过程中展现出协同作用：

富铁MRO团簇相对“软”，容易发生剪切变形，成为剪切转变区的“源”；

而富类金属团簇则较“硬”，阻碍剪切带的扩展，成为剪切转变区的“汇”。

这种源-汇配对机制促进了大量微小剪切带的形成，而非单个剪切带的快速扩展，从而实现了均匀的塑性流动。

## 04 变形机制：四重协同实现刚韧并济

在拉伸变形过程中，研究人员观察到了四种机制的协同作用：

β弛豫辅助的STZ活化：降低的β弛豫激活能促进了大量剪切转变区的启动；

结构弛豫抑制快速剪切：不可逆的结构弛豫通过自由体积湮灭，抑制了剪切带的快速扩展；

多重异质结构阻碍剪切带：从纳米到微米尺度的化学和结构异质性（包括界面）有效阻碍、偏转和分叉剪切带的传播；

剪切驱动纳米晶化：剪切应力诱导中程有序团簇转变为α-Fe纳米晶体，这些纳米晶体的晶格畸变和位错进一步促进了应变硬化。

特别值得关注的是，应变硬化来源于自由体积生成、结构有序化和结构转变之间的竞争。在0.8Tg的测试温度下，结构弛豫导致自由体积湮灭和结构有序化，主导了硬化行为；而α-Fe纳米晶体与剪切带之间的强烈相互作用，通过晶格畸变和位错介导的变形，进一步抵消了剪切带扩展引起的软化。

## 05 普适性验证：从铁基到多元金属玻璃

为验证这一机制的普适性，研究团队将CTC驱动的中程有序工程与弛豫辅助策略应用于代表性的Cu基、Er基和Fe基金属玻璃系统，包括金属-金属和金属-类金属体系。

在所有系统中均一致观察到了拉伸塑性的提升（90-200%）和明显的应变硬化。例如，Er₃₃Al₂₅Cu₉金属玻璃的塑性从2.0%提升至4.2%。这些力学性能的改善与弛豫焓的降低和β弛豫的增强普遍相关，证明了该策略/机制的广泛适用性。

## 06 前景展望：打破应用瓶颈

这项研究的意义不仅在于实现了破纪录的力学性能，更在于揭示了通过协同调控中程有序、弛豫过程和多形态转变，能够克服金属玻璃的固有脆性。

对于铁基金属玻璃而言，这一突破尤其重要。它们通常需要通过退火处理来释放内应力或诱导纳米晶化以优化软磁性能，但这会导致严重的脆化。脆化的磁芯在叠片加工和使用过程中容易破碎或脱落，导致磁路不完整或损坏等严重后果。

现在，通过CTC处理，研究者不仅能大幅提升塑性，还发现CTC30样品在50 Hz和1 kHz下的铁损显著降低，同时保持了1.68 T的高饱和磁化强度。磁畴观察显示，CTC处理后的样品磁畴显著细化，域壁边缘更加平滑，指纹状磁畴消失，从而优化了软磁性能。

这意味着，金属玻璃有望在保持优异功能性能的同时，获得良好的力学性能，真正实现“刚韧并济”，为它们在高效变压器、新能源汽车、航空航天等领域的广泛应用扫清了障碍。

结果速览

Fig. 1: Tensile properties of the MGs before and after the rapid CTC treatment.

Fig. 2: Dynamic mechanical and thermodynamic analysis of MGs and microscale mechanical heterogeneity of CTC30.

Fig. 3: Investigation of the nanoscale structure heterogeneities and the chemical fluctuations in MGs.

Fig. 4: Evolutions of SBs and NCs for CTC30 during tension.