非晶合金,又稱金屬玻璃,是兼有一般金屬和玻璃優異的力學、物理和化學性能的新型合金材料。非晶合金無序的原子結構使其成為具有高強度、高韌性、高彈性等一系列優異的力學性能的新型結構材料。不同于晶態合金中存在位錯、晶界等承載變形的晶體缺陷，非晶合金的室溫變形高度集中在納米尺度的剪切帶內，局域剪切帶的軟化和擴展最終導致非晶材料的失穩斷裂。剪切帶是非晶材料形變和流變的載體，對剪切帶的認知和調控，是突破玻璃體系脆性瓶頸的關鍵。然而，由于沒有直觀可見的類似晶體位錯的形變單元，非晶合金中剪切帶的形成及演化機制的物理圖像、剪切帶之間是否又相互作用尚不清晰。

非晶合金塑性變形形成剪切帶的過程被看作是一系列剪切轉變區（STZ）的激活和協同重排，剪切帶內部結構相對周圍母體發生巨大變化，剪切帶的形成和擴展也往往伴隨著粘滑運動、絕熱升溫、納米晶化等新奇物理現象。然而研究者對剪切帶的具體厚度這一基本問題還沒有達成共識。早期，透射電子顯微鏡揭示剪切帶的直觀厚度是幾十納米的原子結構重排區域。

近年來，納米壓痕、放射性示蹤、納米束X射線衍射、X射線光子關聯譜等一系列實驗方法發現，圍繞著剪切帶存在著更廣泛分布的影響區。中心剪切帶形成的同時，其周圍一定范圍母體也參與到變形和結構重排，這迫使人們需要重新認識非晶合金的應變局域和塑性變形機理。但是，由于分辨率和靈敏度等差異，不同實驗方法得出的剪切帶影響區寬度差別較大，尺度跨域納米到亞微米，亟需新的實驗手段來全面且精準的揭示剪切帶影響區。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華研究組博士生沈來權在汪衛華研究員、柳延輝研究員和孫保安研究員的指導下，以磁性鐵基非晶合金為模型體系，通過對起源于磁彈性耦合的磁疇測量直觀地揭示出非晶合金的剪切帶影響區，并通過對磁疇結構的分析，對剪切帶的結構、擴展和相互作用等前沿問題進行了系統研究，得到關于剪切帶的全新認識。不同于晶體材料中原子長程有序的晶格結構導致的各向異性磁結構，鐵基非晶合金，原子排列長程無序，表現出優異的軟磁性能，同時其磁矩分布對磁彈性耦合作用十分敏感。  因此，可以用磁疇作為反映非晶合金塑性形變后局域變形的  “顯微鏡”。

通過使用納米尺度分辨率的磁力顯微鏡對多種剪切帶位置處磁疇測量分析表明，剪切帶兩側普遍存在微米尺度的磁疇分布，說明塑性變形形成剪切帶時總伴隨著微米尺度的剪切帶影響區，圍繞著剪切帶形成應變梯度場；多重剪切帶間關聯分布的磁疇結構表明多重剪切帶通過有效變形區的交疊而相互作用；另外，圍繞著剪切帶長程擴展的漸變磁疇分布表明剪切帶周圍也可以存在延伸幾百微米的應力漸變長程彈性區（圖1）。

圖1.沿剪切帶長程延伸的磁疇演化

結合實驗結果，他們給出了剪切帶結構的完整物理圖像（圖2），基于此圖像和結果能很好地解釋之前研究報道的非晶材料中相關物理、力學現象，比如形變后非晶合金能量狀態的額外增加，結構弛豫增強等。以上研究結果為全面理解非晶體系剪切帶及塑性變形機制提供重要依據。

圖2.剪切帶影響區多重結構圖

相關研究結果最近發表在 Nature Communications雜志上（DOI: 10.1038/s41467-018-06919-2）。上述研究工作得到國家重點研發計劃( 2016YFB0300501, 2017YFB0903902 )、973項目( 2015CB856800 )、國家自然科學基金項目( 11790291, 51571209, 51671121, 51461165101 )、中國科學院前沿科學重點研究計劃( QYZDY-SSW-JSC017 )和中科院先導B專項( XDB30000000 )，北京材料基因工程高精尖創新中心的支持。（來源：中科院物理所）

文章鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06919-2