金属玻璃（又称非晶态合金）因其内部原子堆垛的无序结构，展现出高强度、高弹性等优异力学性能，但也使其在塑性变形过程中易发生纳米宽度的局域剪切带（shear bands）。剪切带的形成与扩展往往诱发材料的脆性断裂，严重制约了金属玻璃在工程领域的推广应用。剪切带的形成和演化是一个涉及原子尺度至宏观尺度的多重耦合过程。由于其在微秒时间尺度下发生，传统实验手段难以直接观察其原子机制；另一方面，传统分子动力学模拟受限于计算成本，往往采用远高于实验条件的冷却速率（>10¹⁰ K/s）制备金属玻璃模型，导致所得结构状态与真实材料存在很大偏差，难以实现剪切变形机制的准确还原。因此，揭示剪切带如何萌生与传播的微观机制成为凝聚态物理、材料力学与计算材料科学交叉领域中的前沿难题。

针对这一科学挑战，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室材料创新设计中心（CAID）丁俊教授和马恩教授带领的研究团队基于其先前开发的高效分子动力学-蒙特卡罗耦合模拟方法（研究团队近期论文PNAS, 119 2022 e2213941119计算模拟出接近真实实验冷速的CuZr金属玻璃），成功研究了Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀非晶合金在冷却速率跨越9个数量级（从与实验铸造条件相当的10⁴ K/s到常见分子动力学模拟速率10¹³ K/s）下的结构演化与剪切带变形行为。研究结果表明，与超快速冷却样品相比，缓慢冷却样品中剪切带的各种性质均变化（升高/降低）明显（图1）。进一步分析发现，结构状态的演变导致剪切带延展机制发生了定性转变。在超快速冷却的样品中，剪切带扩展呈现间歇性特征，表现为多个剪切变形区的顺序激活和合并，而这些剪切变形区之间由涡漩场隔开。相比之下，缓慢冷却的样品表现出连续且快速的剪切带传播，由局部剪切软化和大型涡漩场的形成介导，其结构响应具有更强的集体性。这种机制的转变来源于不同结构状态下激活剪切变形区的数密度和空间分布的显著差异（图2）。

该研究首次从原子层面揭示了结构状态对剪切带传播机制的决定性作用。这些发现为非晶合金中剪切带的初始形成与传播的微观动力学提供了全新见解，强调了如何通过调节金属玻璃结构状态来控制剪切带行为。这为优化非晶合金的机械性能以满足特定工程应用需求带来了新的机遇。

图1  超快淬火和缓慢冷却的Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀ 非晶样品中剪切带的微观性质

图2 剪切带前沿传播至样品中部时的原子级机制

日前，上述研究成果以“结构状态决定金属玻璃中剪切带传播的机制（Structural state governs the mechanism of shear-band propagation in metallic glasses）”为题发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。西安交大金属材料强度全国重点实验室为论文通讯单位。西安交大材料学院博士研究生蔚锦华为论文第一作者，材料学院丁俊教授和马恩教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国重室开放课题和国家级青年人才项目支持计划的共同资助，以及西安交大高算平台计算资源的支持。

论文链接： 

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2427082122

丁俊教授主页：

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/dingsn/home

https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/223395.htm