众所周知，晶态金属材料的宏观力学性能依赖于其原子尺度的晶体结构和微观显微组织。而对于非晶态金属材料（如金属玻璃）来说，其微观显微组织通常是单一、均匀的。“Amorphous”一词便是无定形、无结构的意思。对于金属玻璃来说，其结构特征主要体现在原子最近邻排列的短程有序、原子团簇排列的中程有序以及一部分“自由体积”。因此，金属玻璃的性能本征上依赖于其原子尺度上的结构变化。然而，尽管借助于衍射技术和计算机模拟已经取得了一些进展，人们对金属玻璃原子尺度构型的表征与描述仍然十分有限。这也为澄清与理解金属玻璃的结构与性能之间关系带来困难与挑战。

近年来，人们相继发现金属玻璃在某些特定的合金成分上可表现出较大的压缩塑性变形能力。为此提出了各种解释，包括高泊松比、形变诱导的剪切带内纳米晶化、高含量自由体积、微观结构的非均匀性以及相分离等。由于缺乏对金属玻璃中原子尺度结构与其宏观性能之间关系的了解，尚未建立起预测大塑性金属玻璃合金成分的有效方法。最近，我们与美国约翰霍普金斯大学马恩教授研究组合作的一项研究，在理解金属玻璃的宏观塑性与内部结构之间关系，以及如何在给定的合金体系内预测具有良好塑性的金属玻璃成分方面取得了新的进展。

对Zr–Cu–Al金属玻璃结构与形变的计算模拟表明，此类金属玻璃中的原子排列可大致上划分为完整二十面体和不规则多面体两类团簇，两类多面体的相对含量决定了原子团簇发生剪切转变的难易程度，表现出不同的塑性形变能力。完整二十面体含量高的合金，不易发生剪切转变，强度相对较高，但塑性形变能力相对较差。而在高Zr含量的合金中，完整二十面体中的原子数占总原子数的相对量明显下降。由此推断，良好塑性的合金应处于Zr含量较高，而Cu和Al含量相对较低的成分处。这一推断在Zr–Cu–Al三元块体金属玻璃的压缩实验上的到了印证。进一步以此推断为依据，通过对结构和成分上的设计，在Hf–Ni–Al三元合金系中的发现了具有良好塑性变形能力的块体金属玻璃：Hf₆₂Ni₂₅Al₁₃（H2）合金（压缩塑性应变为5~10％）。研究还表明，具有良好塑性的块体金属玻璃表现出较低的玻璃转变温度和剪切模量以及较高的泊松比。这些参数间接地反映出合金成分变化后金属玻璃结构组态上的差异，可用于作为发现具有良好塑性金属玻璃的指导依据。上述工作已在《Acta Materiala》上在线发表，见L. Zhang, Y.Q. Cheng, A.J. Cao, J. Xu, E. Ma, Bulk metallic glasses with large plasticity: composition design from the structural perspective, Acta Mater. 57 (2009) 1154。

下载：http://www.synl.ac.cn/org/non/zu1/publications/31.pdf



Hf–Ni–Al金属玻璃的压缩应力-应变曲线。显示出强度与塑性具有明显的成分依赖性。由于其内在结构的不同，H2合金的塑性变形能力明显优于H1合金。