当结晶金属受到的外加应变超过屈服点时，就会产生各种晶体缺陷，包括位错、孪晶和晶界。如果外加应变速率较低，这些所谓的塑性缺陷就有足够的时间形成、移动、相互作用和平衡，从而使晶体结构得以保留，尽管缺陷造成了混乱。某些材料可能会发生相变，通常是从一种晶体相转变为另一种晶体相。当应变速率增加时，尤其是达到冲击加载时的应变速率时，晶体可能会转变为非晶结构，包括液体和玻璃。 高应变率引起的晶体到玻璃（CTG）转变，或称非晶化 ，在陨石撞击区以及弹道撞击下的陶瓷装甲和复合材料中都是已知的。在金属合金中，CTG 在中等应变速率下发生，例如在机械合金化过程中，机械合金化被用作合成块状金属玻璃(MG) 的替代方法，而块状金属玻璃通常是通过快速冷却合金液生产出来的。例如，在球磨过程中，当元素金属粉末在高速钢球的作用下混合和变形时，就会产生非晶合金。CTG 被解释为不同金属元素混合过程中晶体自由能升高到并超过非晶相自由能所导致的一种可迁移相变，其变形/混合速度快于扩散的化学平衡速度。分子动力学（MD）模拟表明，CTG 转变甚至可以发生在纯镍纳米线中，这种纳米线不涉及化学混合，只受到应变速率为 1012- 1013 1/s 的拉伸应力作用。在模拟和实验中也观察到其他纯金属和合金中的 CTG转变。据推测，在高应变速率下，CTG 与快速变形晶体的弹性不稳定性有关。在各种自然和人为事件中，包括陨石撞击、冲击爆炸和机械合金化，都会在机械负载下发生晶体到玻璃的转变。
为了研究原子机制，来自美国佐治亚理工学院的学者 对一种多组分合金进行了一系列拉伸试验，应变速率从 108 到 1012 1/s 。分子动力学模拟显示，模型材料发生了晶体-玻璃转变，转变相的数量由应变速率和应用应变决定。本研究观察到两种不同的原子机制，它们都与晶体位错的状态和动力学密切相关：当应变速率低于 1011 1/秒时，缺陷的随机应力会挤压原子位移并导致异质非晶化，从而产生类似第一阶的转变；而当应变速率达到或超过 1011 1/s时，快速变形使得位错没有时间形成和传播。原子位移在一个原子间距的尺度上变得局部化，从而破坏了晶体的均匀稳定性，使转变看起来是连续的。晶体到玻璃转变特征的差异是此处揭示的原子机制的直接体现。相关工作以题为“Crystal-to-glass transition in multicomponent alloys under high strain rates”的研究性文章发表在Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119233
图 1. 不同应变速率下的应力-应变关系。应变速率为 108 1/s 时的曲线与应变速率为 1091/s 时的曲线相似，因此在此不再显示。在应变速率小于 1012 1/s 的情况下，样品的屈服应力接近 8%（采用 0.2% 偏移应变法计算）。
图 2. HEA 合金在不同应变值和应用应变率（a）109 1/s、（b）1010 1/s、（c）1011 1/s 和（d）1012 1/s下发生拉伸变形时的径向分布函数。本研究从应变速率为109 1/s 时的 RDF 开始，因为较低应变速率下的结果差别不大。
图 3. 在施加应变和应变速率下，CTG 转变的动力学相图与转变的非晶相或无定形相的比例。
图 4. 在不同应变和应变速率下（a）109、（b）1010、（c）1011 和（d）1012 1/s，用共邻分析标记的原子共格快照。每个原子都按照其CNA 指数标注了 fcc、hcp、bcc 或非晶局部堆积。
图 5. (a)-(d)是不同类型位错的原子共格快照，(e)-(h)是样品在不同应变和应变率（分别为 109、1010、1011 和 1012 1/s）下的位错密度。(e)-(h)中的垂直虚线标出了(a)-(d)中所示原子共格的相应应变。
图 6. 不同应变率下原子从晶格位置移动到形成位错的时间 τ 和相关距离 d。
图7. 原子剪切应力τxz（（a）和（b））、局部原子堆积（（c）和（d））以及在皮秒时间间隔内局部原子位移（（e）和（f））的等值线图，样品的应变速率分别为109 1/s和1012 1/s。在每幅图中，四个面板分别显示了样品在 9.35%、13.20%、23.00% 和30.00% 变形应变下的情况。这些数据是从样品中心切过的厚度约为 1 纳米的薄板中的原子中获得的。对于原子应力（(a) 和 (b)）和位移（(e) 和 (f)），颜色的编码方式是：量的局部值越高，颜色就越暖。
总之，本研究对模型康托合金在各种应变速率下的拉伸载荷进行了分子动力学模拟，以揭示晶体到玻璃转变的原子机制。本研究发现，变形应变和应变速率都是 CTG 转变的必要因素。无定形相在临界变形应变和应变速率下形成，可在动力学 TSSR 相图中绘制出来。根据晶体缺陷是否能够形成和传播，非晶相的形成可以是均质的，也可以是异质的。(文：SSC)
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