确定剪切带对结晶材料有益还是有害的新标准

剪切带的形成通常不是材料中的好兆头——剪切带通常在材料断裂或失效之前出现。但威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学和工程研究人员发现，剪切带并不总是负面的。在适当的条件下，它们可以提高材料的延展性或可塑性。

在威斯康辛大学麦迪逊分校材料科学与工程教授IzabelaSzlufarska的领导下，研究人员在《自然材料》杂志上发表了他们的工作细节。

通过结合实验表征和模拟，该团队确定了促进剪切带的潜在策略。这可能会带来提高多种材料韧性的新方法。

“在之前的一篇论文中，我们证明了钐钴材料中的剪切带实际上是有益的，”Szlufarska说。“这引发了这样的问题：“剪切带何时形成?”和“它们何时支持塑性与断裂?你什么时候想避开它们，什么时候想推广它们?”

在具有晶体结构的材料(如金属和陶瓷)中，塑性由晶格内称为位错的微小结构不规则性决定。这些位错可以穿过晶格并提供一些给定，这使得金属等材料可以弯曲，而不会撕裂其刚性结构中的键。然而，通过硬化技术或自然结构变化，这些位错被锁定得越多，材料就会变得越脆。

这就是为什么Szlufarska和她的团队惊讶地发现，在钐钴(一种用于制造强磁体、非晶态或非结构化的脆性金属间材料)中，剪切带增加了材料的可塑性，并且并不是失效的迹象。相反，这些区域充当润滑剂，允许原子平面相互滑动而不产生断裂。

研究小组假设，这些类型的有益剪切带可以在容易在结晶相和非晶相之间转变的材料中形成。为了测试这一点，他们研究了铝钐，这是一种玻璃材料，斯鲁法斯卡和她在威斯康辛大学麦迪逊分校材料研究科学和教育中心的同事进行了广泛研究。Szlufarska的研究小组利用原子级模拟预测，这种材料的晶体形式在应力下也应该形成剪切带。他们不仅在实验室中证实了这一发现，而且还改变了铝钐的原子组成，制作了剪切带导致断裂或塑性的版本。

这种理解促使团队提出了筛选可能表现出相似特性的新材料以及确定剪切带何时有益的标准。希望这些参数能够搜索数据库来识别可以受益于掺杂或工程以促进剪切带形成的材料。

Szlufarska说：“将韧性，或者说材料在断裂前能够承受的能量或压力提高两倍、三倍或四倍，可能会非常强大。”“在这篇论文中，我们将我们的发现扩展到了一类新材料。但这还不是结束。”

该团队打算测试氧化物、碳化物和硼化物等传统结构材料，以确定如何优化它们。

“我们对这种情况如何发生以及需要寻找什么有了更多的了解，”斯鲁法斯卡说。“我认为我们已经找到了这些材料设计的关键，我们现在想把它们带到其他课程。”