金属玻璃的室温塑性变形通常被限制在主剪切带中，由此引起应变软化与脆性失效。为减弱此效应，拓扑异质结构被引入至非晶合金，促进变形过程中多重剪切带的产生。不同于以往对拓扑结构的调控及基于剪切带的变形模式，近日，西安交大材料学院微纳中心（CAMP-Nano）吴戈教授、单智伟教授团队通过化学成分设计，在非晶合金中构筑纳米尺寸化学异质畴，来大幅增强其在压缩和拉伸下的均匀塑性流变。

为了使合金具备较高的玻璃形成能力，元素间的混合焓需要为负。然而，为了使合金内存在化学成分明显不同的非晶纳米畴，以实现纳米畴间较大的力学性能差异，需阻止合金制备过程中相邻纳米畴间的原子扩散。因此，不同纳米畴主元之间的混合焓需要为正。这两个看似矛盾的条件在Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY多级纳米化学异质非晶合金中得到调和（其中XX与YY为其它元素）。在这种非晶合金中，单个纳米畴内的元素间具备较大的负混合焓，而不同纳米畴主元Ti和Mg之间的混合焓为正。纳米畴借助非晶合金在纳米尺度均匀塑性流变的优势，使得整体合金具备较高的均匀塑性变形（且具备应变硬化）。在塑性流变过程中，剪切转变区的全域激活引起原子重排，使得相邻纳米畴之间发生动态原子混合。这一行为减弱了不同纳米畴的模量差异，从而阻碍了由于界面应力集中引起的失效，提高了整体材料的力学稳定性。

因此，Ti-Zr-Nb-Si-XX/Mg-Zn-Ca-YY多级纳米化学异质非晶合金在室温压缩实验中显示~2%的弹性变形与~40%的均匀塑性流变，相比于以往的单相非晶合金和异质结构非晶合金均有较大的提升。这种使用纳米尺寸化学异质畴的合金设计以及界面区的动态原子混合机制展示了一种开发高强高塑性非晶合金的新思路。

此工作以“Substantially enhanced homogeneous plastic flow in hierarchically nanodomained amorphous alloys”为题发表在Nature Communications。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文第一作者单位和第一通讯单位。吴戈教授（西安交大）为论文第一作者兼通讯作者，刘畅教授（西安交大）为论文共同通讯作者。作者包括：刘思达教授（山东大学，现已入职西安交大）、王庆教授（上海大学）、饶婧博士（德国马普所）、夏文真教授（安徽工业大学）、闫永强博士生（西安交大）、Jürgen Eckert教授（奥地利科学院）、马恩教授（西安交大）、单智伟教授（西安交大）。该研究得到了国家自然科学基金委及国家青年人才计划的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39296-6

图1 混合焓指导合金设计。a 合金设计策略的示意图。 b 典型的平视和侧视明场TEM 图。 c 放大的 HAADF-STEM 图。 d-e EDS mapping图（这里只显示Ti与Mg）。

图 2 多级纳米化学异质非晶合金的力学性能。a 室温下相同测试条件下微柱样品的压缩工程应力-应变曲线。b-d 压缩后相应的Mg-Zn-Ca非晶合金、Ti-Zr-Nb-Si非晶合金和多级纳米化学异质非晶合金的SEM图。e 非晶合金归一化屈服强度(σ_y/E)与均匀形变（不产生剪切带）性能比较图。

图 3 塑性变形过程中不同纳米化学异质畴之间的动态原子混合行为。a-c不同应变下材料的HAADF-STEM图。 d材料在应变>70%时的BF-STEM图。Maze-like花样证实了其非晶结构。 e-g发生变形区域（由(a-c)中的白色箭头指示）的一维成分分布，显示不同纳米化学异质畴的成分差异随着应变的增加而减小。

图 4 动态原子混合机制示意图

图 5 多级纳米化学异质非晶合金的原位TEM拉伸变形行为。b–f 多级纳米化学异质非晶合金在拉伸时的明场TEM图。 g-h (f) 中红色虚线框区域的放大HRTEM图。i 多级纳米化学异质非晶态合金在拉伸过程中的变形示意图。显示了在裂纹产生前材料发生均匀塑性变形，裂纹产生后均匀塑性流变区桥连裂纹，从而减缓裂纹扩展。 j–l 参照组Mg-Zn-Ca和Ti-Zr-Nb-Si非晶态合金在拉伸过程中的明场TEM 图。m 参照组非晶态合金在拉伸过程中的变形示意图，显示了裂纹由剪切带区域快速扩展。