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纪念金属玻璃发现50周年: 热度 4 jianxu 2010-11-18 00:41; （用迟来的笔墨，讲述一个给我们永恒启迪的故事） 1960 年 9 月 3 日出版的《 Nature 》上，在 869 页刊登了一篇很短的文章，题为 Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys 。文章在版面上仅占据了一个竖栏多一点，含有一个图，字数上等效于半页纸。就是这篇文章，报道了人类首次发现了一种新的凝聚态物质金属玻璃。其工作的深远意义远非是当事人们所能够想象、预见的。 Pol Duwez （当时美国加州理工学院的教授）， 1907/12/11 出生于比利时， 1984/12/31 辞世。那个年代，他怎么能够想象出金属玻璃会被用来作为当今最时尚的 iPhone 4 的外壳？（ http://www.technewsdaily.com/metal-iphone-4-case-looks-tough-while-it-protects-1017/ ） 1959 年 6 月， Duwez 启动了一个研究项目，研究能否在 Cu 和 Ag 的二元合金中获得固溶体？这个问题来自于共晶型的 Cu-Ag二元合金相图，它有悖于广为接受的 Hume-Rothery 规则（合金形成固溶体的经验规则）。鉴于均匀的液相在冷却过程中分离成富 Cu 和富 Ag 的两相是一种速率过程， Duwez 认为如果能够将熔体非常快速地冷却， Cu 和 Ag 原子没有足够的时间形成团簇，便会被迫形成一种非平衡的固溶体。为此，他们建立了一套简单的装置（称为 gun technique ），将合金熔体用铜基板锤砚成厚度大约在 10 微米左右的薄片，并对快速冷却获得的薄片进行物相鉴定。接下来，让 Duwez 更感兴趣的是，对于这样的合金体系，由于不同的晶体结构和极其不同的化合价，两个组元在任何情况下都不会形成固溶体，如果将这样的合金熔体快速冷却，将会发生什么样的事情？对 Ag-Ge 合金的研究发现， Ge 在 Ag 中的固溶度的确可以通过快淬从 9.6 at.% 增加到 13.5 at.% 。一个意外的结果是， 23 at.% Ge 合金快淬后形成了一个平衡态根本不存在的密排六方相。随后他们又发现了有 100 多种类似的相。 Au-Si 二元系的性质类似于 Ag-Ge ，于是他们预计这个体系也会形成密排六方相。然而，快淬 Au 75 Si 25 合金的 X- 射线衍射结果显示没有晶体相的存在。这样的合金难道真的是非晶态（ amorphous ）吗？还是我们对可能存有疑问的结果过分地热情和兴奋了？ Duwez 本人并不完全相信他们的 X- 射线衍射结果已经充分地证实了非晶态固体的形成。他打算延迟结果的发表，直到获得进一步的充分证据。但他的两个博士研究生 William Klement 和 Ron Willens 初生牛犊不怕虎，更有胆识。他们不同意 Duwez 的意见，急于将结果发表。最后， Duwez 同意了他两个学生的意见，条件是他仅作为第三作者署名。 Duwez 以为，这样他可以低调一些，不太张扬，以防万一将来有可能出现的、来自非晶态固体领域专家们的负面反应。论文的标题也写得含糊婉转些，写成 Non-crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys ，避免使用 amorphous 这个词。稿件投送到《 Nature 》之后，没有受到评审人的苛刻评论，便顺利地接受发表了。事实上，即便是在后来的几年里， Duwez 本人对这一发现仍然持怀疑态度，不够自信。在他看来，任何一个熟悉固体 X- 射线衍射的人都不会接受用这样的衍射花样来作为一个合金非晶态性质的证据。它至少可能是由一种非晶相与一种或者几种微晶相组成的混合物。的确，论文中所述的非晶态合金薄片在结构上很不稳定，在德拜相机中曝光的 3 小时之内，很可能就已经发生了晶化。薄片在室温存放 24 小时，就完全转变为一种非平衡的晶体相。在这篇文章发表之后的 8-9 年，哈佛大学的 Turnbull 研究组发表了两篇十分重要的文章，报道了对液体快淬的 Au-Ge-Si 和 Pd-Si 非晶态合金的比热测量结果，首次观察到了玻璃转变温度的存在。玻璃转变温度的存在提供了一个令人信服的佐证：液体快淬的非晶态合金的确是玻璃态。至此，金属玻璃的名字（术语）方被完全承认，名副其实。。。。。。。这段经典故事给博主的启示： 1）重大的科学发现经常会出自于科学家好奇心驱动的自由探索过程中，而非是什么研究项目所能计划的。 2）并非所有重要科学发现的意义和价值都能够在短期内被人们所认识和领悟。绝大多数人很可能都是短视的，因此应该做的只能是更加包容些，不要急于否定他人，随着时间的流逝，让事实来说话。革命导师列宁好像说过这样一句话，刚出生的婴儿有什么用？ 3）科学的成就与突破依赖于对科学的传承（人脉）。在 Duwez 之后，他的学生 William L. Johnson （ 70 年代读博士期间跟随 Duwez 研究金属玻璃的超导现象）在加州理工学院持续开展金属玻璃的研究，终于在 1993 年（发现金属玻璃33年之后）取得了重要的革命性进展，在 Zr-Ti-Cu-Ni-Be 合金中发现了可形成大尺寸块体材料的金属玻璃。（ http://www.its.caltech.edu/~vitreloy/index.htm ）现今 iPhone 4 外壳用的合金，就是 Johnson 等人发展的锆合金。相关链接材料科学大师（ 1 ）： David Turnbull 材料科学大师（ 3 ）： William Hume-Rothery 勿将口语化的术语用于规范的学术表述金属玻璃的宏观塑性与其原子尺度结构之间的关系; 个人分类: 先贤故事|27868 次阅读|13 个评论

非晶合金塑性流动压力敏感性与剪胀之间的固有关联: mqjiang 2010-9-8 21:32; 众所周知，晶态合金的塑性流动机制通常是位错运动。但是，非晶态合金中是不存在位错的，其塑性流动是通过原子团簇的非弹性剪切运动（通常称为剪切转变区）介导的，见下图。由于原子的长程无序性，这种原子团簇的剪切运动中往往包含体胀变形，即所谓的（原子团簇尺度）剪胀效应。宏观上，导致塑性流动具有压力或者正应力敏感性。但是这种剪胀效应和压力敏感性之间的定量关系，目前还不清楚。最近，我们通过在剪切带转变区运动中考虑剪胀效应，并基于Johnson和Samwer提出的协同剪切模型(CSM) ，理论推导了塑性流动压力敏感系数与剪胀因子的之间的定量关系，并且得到了一个包含压力敏感效应的塑性屈服准则。相关结果发表在Scripta Mater 63(2010) 945-948 全文下载： Scripta Mater-2010-L Sun; 个人分类: 学术研究|6440 次阅读|0 个评论

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