加州大学《Acta Materialia》: 铝硅酸盐玻璃的脆韧转变!
在外加应力作用下玻璃的断裂方式以裂纹灾难性扩展引发的脆性断裂和以明显塑性变形为主的韧性断裂为主。在实验和模拟中研究人员发现，根据不同类型玻璃的微观结构，可以观察到其延性到脆性的转变。了解玻璃的结构特征与断裂行为之间的关系对于凝聚态物理和材料科学都是至关重要的。由于玻璃是非平衡材料，空间涨落，局部化学和结构环境的非均匀性被认为在非晶材料的异常动力学行为中起着重要作用，包括接近玻璃转变时弛豫时间的急剧增加。然而，由外加应力驱动的玻璃塑性变形的动力学非均匀性仍然难以捉摸。拓扑约束理论或刚性理论为理解原子结构对非晶态材料力学行为的重要作用提供了一条途径。
基于分子动力学模拟，美国加州大学Mathieu Bauchy 教授研究了一系列不同组成的铝硅酸盐玻璃的延性到脆性的转变，发现当玻璃的网络拓扑呈现最佳的、均衡的空间分布时，即表现为刚性簇的渗流，而应力簇呈现非渗流分布时，其抗断裂能力达到最大。基于塑性事件的动力学非均匀性与结构非均匀性之间的关联，建立了通过其原子网络的拓扑结构通过动力学异质性的强度来控制氧化玻璃的脆性到韧性转变的物理图像。相关论文以题为“The brittle-to-ductile transition in aluminosilicate glasses is driven by topological and dynamical heterogeneity”发表在Acta Materialia上。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645423000721
图1 玻璃的脆韧转变。
图2组元诱导应力刚性团簇的逾渗。
图3 脆韧转变控制的动态长度尺度。
图4 脆韧转变控制的断裂机制。
综上所述，作者研究了控制铝硅酸盐玻璃从脆性到韧性转变的潜在机制。观察到的脆性到韧性转变可以理解为内聚(连通性的增加)和重排(连通性的减少)之间的动态竞争。对竞争程度的最优化设计可以得到最优的抗断裂性能。这一发现可以指导设计具有更好抗断裂性能的新型氧化玻璃。此外，通过磁化率和相关函数分析，塑性事件的动态长度受控于刚性原子团簇的逾渗。这一结果为宏观韧性、外加应力驱动的动力学非均匀性和玻璃结构之间的关联提供了新的见解。（文：Keep real）
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