玻璃形成体脆弱性在往复剪切下屈服转变中的作用

为何不会破碎的玻璃很重要

从智能手机屏幕到飞机中的金属零件，许多日常技术依赖于既坚固又易发生突发破坏的玻璃状材料。本研究深入这些无序固体，提出一个既简单又实用的问题：当我们反复弯曲或振动它们时，是什么决定了它们是温和失效还是毫无预兆地断裂？作者指出，答案与它们来自的液体的一个关键性格特征有关，即脆弱性，这一特征将液体的流动性与其玻璃固体最终破坏的方式联系起来。

无序固体如何让步

与原子排列整齐的晶体不同，无定形固体如金属玻璃、硅酸盐玻璃和许多塑料具有混乱的内部结构。轻微变形时，它们像普通弹性固体一样回弹。然而在较大的循环变形下，它们开始通过许多微小的不可逆重排来调整，最终在某一点发生屈服并流动。研究团队关注往复剪切——一种可控的来回剪切运动，能将屈服的起始点精确识别为能量或应力的突跃。他们考察了这一屈服点如何取决于试验前玻璃的松弛程度或淬火质量（退火程度）。

脆性与强性：玻璃的两类性格

为探究这一点，研究者对多种模型玻璃进行了模拟，包括软球模型、形成网络的硅酸盐、分子玻璃形成体、类颗粒堆积以及金属玻璃。这些模型覆盖了广泛的脆弱性范围——即液体在冷却时流动性减弱的迅速程度。结果显示，在退火不足的状态下，所有玻璃的表现相似：随着变形幅度增大，稳态能量先下降后在临界应变处再次上升，标志屈服。在这一较差准备水平下，屈服应变基本固定，不依赖样品历史。但一旦样品退火得更好，分化出现：在脆性体系中，屈服应变随进一步退火显著增加，而在强性体系中即便微观相互作用在各模型间差异甚大，屈服应变几乎不变。

从温和流动到尖锐剪切带

应力在屈服时的积累与骤降也反映了这种分化。强性玻璃保持相对平滑、类延性的响应，伴随温和的应力下降和宽泛、弥散的变形区。相比之下，脆性玻璃则显示出随退火增强而增大的大幅突变性应力下降，并伴有窄而剧烈局部化的剪切带，大部分位移集中在其中。作者追踪了材料进入可重复状态所需的加载循环数以及过程中发生的塑性重排次数。在可比条件下，强性玻璃需要更多循环并经历更多此类重排，而脆性玻璃较少，但在所有体系中，到达稳态所需时间与塑性事件数量遵循相同的简单幂律关系，暗示存在共同的底层机制。

能解释趋势的简化模型

为理解这些多样结果，作者构建了一个平均场弹塑性模型，将材料视为许多相互独立的中尺度块体，每个块体位于局部能量景观中。关键成分是随着玻璃退火程度提高，重排的平均能垒如何增长。在脆性体系中，这些能垒随退火迅速上升；在强性体系中，能垒仅温和增加并随后趋于饱和。仅凭这一差别，模型再现了对比分明的屈服图、变化的屈服应变以及强性与脆性玻璃不同的时间尺度。通过代入从独立弛豫时间数据提取的能垒值，模型甚至预测了退火不足玻璃的临界屈服应变如何与高温能垒和玻璃转变温度相关联。

这对更坚韧材料意味着什么

给非专业读者的核心结论是：玻璃状材料在反复加载下如何断裂已经在其母液的流动特性中被编码。那些在冷却时流动明显减慢的液体会生成其屈服应变和脆性高度依赖制备精细程度的玻璃，而更“强”的液体则产生屈服行为更稳健的玻璃。通过将这些力学特性与可从液态测量推断出的能量能垒联系起来，这项工作为预测和调控无定形固体——从金属玻璃到分子与颗粒材料——的失效特性指明了路径。

引用: Chatterjee, R., Adhikari, M. & Karmakar, S. Role of fragility of the glass formers in the yielding transition under oscillatory shear. Nat Commun 17, 4506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71157-w

关键词: 无定形固体, 金属玻璃, 屈服, 往复剪切, 玻璃脆弱性