中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室固体原子像研究部隋曼龄研究员领导的研究组与材料疲劳与断裂研究部张哲峰研究员以及“沈阳 界面材料研究中心”成员、美国约翰霍普金斯大学马恩教授等合作，最近发现：小尺寸的金属玻璃可具有良好拉伸塑性。这不仅有助于深入理解金属玻璃室温形变的 本质，也揭示了金属玻璃在薄膜和微器件上的潜在应用价值。该项工作于8月19日在《自然—材料》杂志上在线发表，见H. Guo, et al., Nature Materials, Published online: 19 August 2007; doi:10.1038/nmat1984。网上发行的《自然－中国》杂志于９月５日在其“最新研究亮点”栏目中对该工作进行了介绍与报道。
与相应的晶态金属材料相比，金属玻璃具有高强度、高弹性极限和耐腐蚀等优异的性能。然而，在室温拉伸载荷作用下，金属玻璃块体材料几乎没有 宏观塑性，这成为其作为结构材料应用的瓶颈。通常，在室温加载时，金属玻璃发生高度局域化的剪切形变，即形变集中于数量很少、宽度只有几十纳米的剪切带 内；而且剪切带一旦形成便迅速扩展，导致材料瞬间发生灾难性断裂。尽管金属玻璃呈现宏观脆性，但在微观尺度下单一剪切带内的局域剪切应变却可以达到102 %-103 %。 近年来，对于小尺寸晶态金属材料的压缩实验显示，相对于宏观尺寸的试样，微米尺度晶态金属的强度与塑性均会得到显著提高，表现出明显的“样品尺寸效应”。 而对于金属玻璃力学行为的“样品尺寸效应”，特别是小尺寸金属玻璃试样的拉伸性能，由于实验上的困难，至今尚未被认知。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室的博士研究生郭华等人与指导教师及合作者一起，通过巧妙的实验设计，利用聚焦离子束 （FIB）技术成功地加工出100 nm尺度的锆基金属玻璃单轴拉伸试样，并在透射电子显微镜（TEM）下进行原位的拉伸实验观察。动态观察发现：在应变速率约为5×10-4 s-1条 件下，金属玻璃呈现出与韧性材料相类似的均匀延伸、颈缩或不失稳剪切形变行为，100 nm尺度的拉伸应变可达23%-45%，断面收缩率可达到80%。与宏观尺寸金属玻璃的室温形变与断裂行为截然不同，微观尺度的样品不仅表现出稳定可控的 形变行为，而且具有良好的拉伸塑性。小尺寸金属玻璃可具有良好拉伸塑性的发现，不仅有助于深入理解金属玻璃室温形变的本质，也揭示了金属玻璃在薄膜和微器 件上的潜在应用价值。
此项工作得到国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”和“沈阳界面材料研究中心”的资助。
原位拉伸实验过程中样品在不同形变量时的TEM形貌像视频截图：（a）表面加工质量较高的样品在均匀形变后剪切断裂；（b）有表面的加工缺陷（如箭头所示）的样品在缺陷处发生颈缩断裂。
沈阳材料科学国家(联合)实验室供稿