【SCPMA封面文章】从反常蠕变到动态异质性：金属玻璃微观结构非均匀性的跨尺度探索

近年来，金属玻璃中普遍存在的动态非均匀性受到了广泛关注。不同于晶体材料中由位错等明确缺陷介导的塑性变形，金属玻璃内部不存在长程周期性结构，原子在纳米尺度上具有明显的空间不均匀性，不同区域因此表现出不同的原子迁移能力和弛豫时间，并形成软区、流动单元、剪切转变区（STZ）等具有不同动力学特征的局域区域。动态力学分析、应力松弛以及X射线光子关联谱等实验已经表明，金属玻璃中同时存在多个不同时间尺度的弛豫过程；分子动力学模拟也揭示了复杂势能景观中广泛分布的局域激活事件。

这些动态非均匀性深刻影响着玻璃转变、结构弛豫以及塑性变形。然而，现有自由体积、STZ、软区和流动单元等描述大多采用平均场思想，通常用单一激活能和固定激活体积来刻画变形单元，难以描述金属玻璃内部从局域运动到协同变形的连续演化过程。尤其是在蠕变过程中，材料会在长时间尺度上持续探索不同的动力学区域，而这些区域究竟如何随温度、应力和时间尺度被依次激活，以及这种动态非均匀性如何最终反映到宏观蠕变速率和激活参数上，目前仍缺乏统一的定量描述。因此，建立宏观蠕变行为与微观势能景观、弛豫时间谱以及空间结构非均匀性之间的联系，是深入理解非晶材料变形机制的重要问题。

近日，西北工业大学马熙阳、赵思瑾、邢光辉、乔吉超，中国科学院力学研究所王云江，复旦大学周炯，西班牙加泰罗尼亚理工大学Daniel Crespo、Eloi Pineda以及香港城市大学杨勇等合作，在Science China Physics, Mechanics & Astronomy发表研究论文“Exploring dynamic heterogeneity of metallic glass via anomalous creep”。

该研究以Cu₄₆Zr₄₆Al₈金属玻璃为对象，通过宽温度、宽应力和长时间的蠕变实验，从长、短不同时间尺度探测金属玻璃的动力学响应；进一步通过离散弛豫时间谱拟合，将宏观蠕变曲线分解为不同特征时间的变形模式，并利用ART技术系统探究势能景观中的局域激活事件，同时结合Voronoi结构、Shannon信息熵以及HAADF-STEM和EDS表征蠕变前后的结构演化，从实验、理论和分子动力学模拟多个尺度定量探究金属玻璃动态非均匀性。

研究首先发现了一种与传统晶体蠕变明显不同的“热力学反常”。在480—600 K、25—350 MPa范围内，Cu₄₆Zr₄₆Al₈金属玻璃的蠕变速率随温度和应力升高而增加，且应力指数接近1，表现出类似扩散控制的牛顿流动特征。但进一步提取激活参数后发现，激活Helmholtz自由能并没有像传统晶体蠕变理论所预期的那样随温度升高而降低，反而近似线性增加；与此同时，激活体积也随温度升高而增大。更换准稳态蠕变速率对应的时间尺度后，这一趋势仍然存在，说明这种反常并非数据处理方式造成，而是金属玻璃本征动力学行为的体现。

图1 金属玻璃的激活自由能和激活体积均随温度升高而增加，呈现反常蠕变热力学行为

那么，为什么温度越高，实验得到的平均激活势垒反而越大？研究团队进一步利用动态力学分析发现，金属玻璃具有宽广的弛豫时间谱，其中包含多个不同的弛豫模式，表明材料内部存在具有不同动力学响应的非均匀区域。ART势能景观分析则揭示，金属玻璃内部的激活能垒本身就是一个宽广而连续的分布。在固定的观察时间内，温度越高，体系能够跨越的临界势垒越高：在8×10⁴ s的时间尺度下，对应的临界势垒由480 K时约1.53 eV增加到600 K时约1.91 eV。更重要的是，热激活区域在空间上也随温度升高而扩大，原本彼此孤立的局域流动区逐渐连接并形成更大尺度的协同变形区域，因此宏观上表现为激活体积随温度增加而增大。

图2 动态非均匀性及其空间分布

为了进一步验证这一图像，研究团队从结构层面考察了蠕变前后金属玻璃的Voronoi团簇分布情况。分子动力学模拟表明，外加应力会改变Voronoi多面体的分布，使Shannon信息熵升高，说明局部原子环境更加多样化、空间非均匀性进一步增强；实验上的HAADF-STEM空间自相关分析也显示，蠕变后结构非均匀性的关联长度明显增加，而EDS结果表明这一变化并非由明显的元素偏聚导致。由此，实验、理论和分子动力学模拟共同揭示出一个统一图像：金属玻璃并不存在唯一固定的变形单元，而是拥有连续分布的激活势垒和多尺度的动态区域；随着温度、应力或观察时间增加，体系会依次激活从低势垒到高势垒的不同区域，并由局域、孤立的流动逐渐演化为更大尺度的协同变形，这正是反常蠕变和动态非均匀性的微观起源。

图3 Cu₄₆Zr₄₆Al₈金属玻璃蠕变前后出现频率最高的10种Voronoi团簇分布

图4 结合TEM的Cu₄₆Zr₄₆Al₈金属玻璃空间结构非均匀性表征

该研究建立了蠕变行为、弛豫时间谱、势能景观和空间结构非均匀性之间的定量联系，表明金属玻璃中的激活能和激活体积并不是固定的材料常数，而是与温度、应力和观察时间密切相关。研究结果挑战了传统晶体蠕变理论中基于单一激活参数的描述框架，也为从宏观力学响应反向认识非晶材料内部复杂动态非均匀性提供了新的研究思路。

值得一提的是，该工作得到了中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员的亮点评论，详见[SCPMA 69,296131 (2026)]。

该工作西北工业大学马熙阳为第一作者，中国科学院力学研究所王云江研究员、西班牙加泰罗尼亚理工大学Daniel Crespo教授和西北工业大学乔吉超教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、陕西省自然科学基金、陕西省创新能力支撑计划、陕西省数学与物理基础科学研究项目、中央高校基本科研业务费、西北工业大学博士研究生创新基金，以及香港研究资助局研究基金和西班牙相关科研项目的支持。