金屬玻璃，又稱非晶合金，是具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬材料[1]。顧名思義，金屬玻璃不存在規(guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)，因此無位錯、晶界等一維和二維晶體缺陷，這使得金屬玻璃發(fā)生塑性屈服所需要的外應(yīng)力遠(yuǎn)高于同成分的晶體合金(即高屈服強度)，同時也使金屬玻璃不存在類似于晶體缺陷交互作用(位錯-位錯、位錯-晶界等)所引起的加工硬化機制，主要表現(xiàn)出加工軟化行為[2]。金屬玻璃的本征加工軟化行為促使形成了剪切帶主導(dǎo)的塑性變形機制[3,4]。剪切帶是塑性變形的高度局域區(qū)，是金屬玻璃常溫和低溫變形的主要機制[2]。同時，剪切帶也是發(fā)生失穩(wěn)斷裂的源頭，在單向加載時引起剪切斷裂[5,6]；在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋往往會沿剪切帶萌生和擴展。剪切帶內(nèi)材料的硬度和模量相對于未變形的基體較小[7,8]，進(jìn)一步證實了金屬玻璃剪切塑性變形引起的應(yīng)變軟化行為，這主要源于塑性剪切引起的“自由體積”增加[8]。關(guān)于剪切帶的厚度，早期的透射電鏡(TEM)觀察發(fā)現(xiàn)，其在10~20 nm[9]范圍，但近年來利用更精細(xì)的同步輻射技術(shù)和掃描透射顯微鏡(STEM)研究發(fā)現(xiàn)，有些合金的剪切帶厚度可能從十幾納米到數(shù)百納米[10]。雖然剪切帶很薄，厚度在納米級，但剪切帶影響區(qū)可以達(dá)到微米級[11]，剪切帶同時也是高速擴散的通道[12]。人們發(fā)現(xiàn)沿著剪切帶存在著強烈的密度起伏[13]，證明了金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性[14]。

剪切帶使金屬玻璃的塑性變形高度集中，難以發(fā)揮材料整體的塑性變形潛力，因此常常表現(xiàn)出較差的塑性，比如近乎為零的拉伸延伸率和有限的壓縮塑性[5,15]。雖然如此，金屬玻璃的損傷容限卻可以很高[16,17]。許多韌性金屬玻璃(如鋯基、鈀基、鉑基、銅基、鈦基等)在具有較高屈服強度(> 1.5 GPa)的同時，也會表現(xiàn)出較高的斷裂韌性(> 50 MPa·m1/2)；有些金屬玻璃的斷裂韌性甚至高達(dá)約200 MPa·m1/2，媲美高韌性鋼[18]。這種拉伸塑性為零、斷裂韌性很高的奇特現(xiàn)象源于剪切帶在不同應(yīng)力狀態(tài)下的不同行為[19]，這也使得金屬玻璃表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的“缺口效應(yīng)”[19,20]。

與韌性金屬玻璃不同，脆性金屬玻璃(如一些鐵基、鈷基、鎂基、鈣基、稀土基等)在室溫下常常發(fā)生由解理主導(dǎo)的脆性斷裂[21~26]，類似于傳統(tǒng)脆性材料(如陶瓷、鑄鐵)。此時材料斷裂韌性極低，對缺陷高度敏感。然而，在提高實驗溫度或者減小樣品幾何尺寸情況下，由剪切帶主導(dǎo)的塑性變形仍會出現(xiàn)，即發(fā)生“脆-延轉(zhuǎn)變”[27,28]。而理解該現(xiàn)象物理本質(zhì)的關(guān)鍵在于，了解脆性金屬玻璃中剪切變形與解理斷裂之間的相互競爭關(guān)系。

關(guān)于剪切帶形核的模型，Greer等[4]總結(jié)了均勻形核與非均勻形核2種情況。在實際材料中，由于缺陷無法避免，往往發(fā)生剪切帶的非均勻形核。通常有2種模型來描述剪切帶的非均勻形核：一種模型認(rèn)為，在屈服點時剪切帶以聲速快速貫穿樣品，貫穿之后的剪切帶以同步式擴展[29]；另一個模型認(rèn)為，剪切帶是漸進(jìn)式擴展，逐步貫穿樣品，由于剪切帶不同位置的變形程度不同而微觀結(jié)構(gòu)不同[30]。因此，剪切帶非均勻形核模型的關(guān)鍵在于剪切帶在均勻應(yīng)力下的擴展方式如何。另外，沿剪切帶發(fā)生的剪切斷裂是金屬玻璃拉伸或壓縮斷裂的主要方式[31]。那么剪切帶是如何開裂及斷裂的？剪切帶斷裂的條件是什么？在循環(huán)載荷作用下，剪切帶也是重要的疲勞裂紋源[32]。那么在循環(huán)加載下金屬玻璃中的剪切帶如何擴展與開裂？對于這些問題的探討，將不僅有助于理解剪切帶在金屬玻璃斷裂中的重要作用，同時也為調(diào)控剪切帶行為、提升力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。

本文基于作者近年來在金屬玻璃剪切帶變形與斷裂機制方面的研究結(jié)果，首先闡述單軸壓縮下剪切帶的擴展、開裂與斷裂機制，其次介紹循環(huán)加載下剪切帶的擴展與開裂行為，接著闡述脆性金屬玻璃的剪切變形與解理開裂的競爭關(guān)系，以及外在缺陷對剪切帶的作用，強調(diào)缺口對拉伸、彎曲及循環(huán)變形行為的影響，提出利用“缺陷工程”調(diào)控金屬玻璃性能的策略。

單向加載(如壓縮)時樣品內(nèi)部各處的應(yīng)力分布均勻，因此剪切帶同步擴展(simultaneous propagation)易于理解，即由于剪切帶面上各處所受切應(yīng)力相同，因此剪切位移必然一致。剪切帶在壓縮時的同步擴展也被高速攝影技術(shù)所證實。Wright等[33,34]和Song等[35]分別報道了剪切帶擴展的高速攝影研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剪切帶擴展以同步式進(jìn)行。這些結(jié)果似乎證明了在單向加載下剪切帶的擴展方式只有同步擴展一種。然而，Qu等[36]通過開展準(zhǔn)原位壓縮實驗并用刻痕法測量剪切帶不同位置的剪切位移，同時聚焦宏觀屈服之前壓縮樣品中的剪切帶，發(fā)現(xiàn)剪切帶在不同階段呈現(xiàn)不同的擴展方式。在宏觀屈服之前，樣品中所有的剪切帶均未擴展貫穿樣品，即剪切帶從樣品邊緣萌生然后終止于樣品內(nèi)部，這些未貫穿剪切帶各處的剪切位移隨著與剪切起點之間的距離增加而逐漸降低，呈線性變化(圖1a[36])，該結(jié)果首次證明了在宏觀屈服之前，單向壓縮樣品中的剪切帶以漸進(jìn)式擴展。通過對比不同塑性變形能力的金屬玻璃，發(fā)現(xiàn)塑性較好的鈀基金屬玻璃的剪切帶漸進(jìn)擴展更加緩慢；而對于塑性較差的鈦基金屬玻璃，其未貫穿剪切帶漸進(jìn)擴展單位長度所產(chǎn)生的最大剪切位移(即剪切臺階)很小，因此本征塑性更好的鈀基金屬玻璃中單根剪切帶在貫穿樣品前會貢獻(xiàn)更多塑性應(yīng)變。該結(jié)果表明：宏觀屈服前的塑性應(yīng)變(εpy)越大的金屬玻璃會有更多難以擴展貫穿的剪切帶，即多重剪切帶產(chǎn)生能力較強，因此εpy越大則金屬玻璃的本征塑性變形能力越高，該推論與許多金屬玻璃的實驗結(jié)果[36]相吻合。

當(dāng)主剪切帶貫穿樣品之后，宏觀屈服發(fā)生。在此之后，主剪切帶中各處的剪切位移相同(圖1b[36])。可見，在壓縮過程中剪切帶先是以漸進(jìn)式擴展貫穿樣品，之后才以同步式擴展。由于屈服之前的塑性變形很小，所以漸進(jìn)式擴展較難被觀察到，這也解釋了為何高速攝影僅限于觀察剪切帶的同步式擴展現(xiàn)象[36]。除了對剪切帶的直接實驗觀察，Wright等[37]通過對剪切鋸齒流變行為的分析指出，在壓縮屈服后的塑性變形過程中，除了同步擴展的剪切帶，必然存在漸進(jìn)擴展的剪切帶，后者擴展時引起尺寸較小的鋸齒。Qu等[36]也觀察到，在宏觀屈服之后，主剪切帶貫穿樣品進(jìn)而發(fā)生同步擴展，但仍有大量二次剪切帶未貫穿樣品，這些剪切帶仍會以漸進(jìn)式擴展。

主剪切帶的漸進(jìn)擴展過程，對應(yīng)于壓縮“應(yīng)力-應(yīng)變曲線”上宏觀屈服前的過渡段，往往可以看到外應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加的現(xiàn)象，如圖2[36]所示，可稱為“表觀加工硬化”(apparent work-hardening)[36]。這種表觀硬化并非金屬玻璃的本征行為，相反，剪切帶變形本征上為加工軟化。從實驗中可以看到，剪切帶變形不連續(xù)進(jìn)行，每次剪切事件對應(yīng)著載荷-位移曲線上一個鋸齒，可以看到載荷陡降(位移控制加載時)或位移陡增(載荷控制加載時)[2]，金屬玻璃的塑性變形軟化效應(yīng)引起剪切變形高度局部化。實驗中觀察到的剪切帶漸進(jìn)擴展對應(yīng)的表觀硬化行為，說明每次剪切啟動時需要比前一次更大的應(yīng)力，這一現(xiàn)象可用剪切帶萌生與擴展臨界應(yīng)力之間的差別來解釋。

大量計算模擬結(jié)果[30,38,39]顯示，剪切帶萌生的臨界應(yīng)力遠(yuǎn)高于剪切帶穩(wěn)定擴展的臨界應(yīng)力。Homer[39]對剪切帶萌生擴展早期行為的模擬結(jié)果顯示，在剪切帶萌生后應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)力陡降現(xiàn)象，剪切帶貫穿樣品后穩(wěn)定擴展，曲線呈現(xiàn)應(yīng)力平臺。類似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同研究組[30,38,39]對不同金屬玻璃體系的模擬研究中均可看到，說明剪切帶萌生和擴展行為相似。對多個不同模擬研究中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點與平臺起始點的彈性應(yīng)變統(tǒng)計分析[36]可知，剪切帶萌生所對應(yīng)的彈性應(yīng)變?yōu)?%~5%，但剪切帶穩(wěn)定擴展對應(yīng)的彈性應(yīng)變?yōu)?%~3%。在壓縮實驗中，金屬玻璃表現(xiàn)出彈性應(yīng)變極限約2%的普遍規(guī)律[30]，這與宏觀屈服對應(yīng)著剪切帶的同步擴展觀察結(jié)果相一致。在宏觀壓縮樣品中，鑄造或加工缺陷不可避免，因此總會存在局部應(yīng)力集中。考慮到剪切帶的微納米特征尺度，剪切帶易于在應(yīng)力集中處萌生(圖3[36])。當(dāng)剪切帶萌生后，在剪切帶前方應(yīng)力水平高于擴展應(yīng)力時，剪切帶均可擴展。當(dāng)遠(yuǎn)離應(yīng)力集中點，應(yīng)力水平逐漸下降，當(dāng)局部應(yīng)力低于剪切帶擴展應(yīng)力時剪切帶不能擴展，因此剪切帶不可能一次性貫穿樣品，而是會停止在樣品內(nèi)部，形成漸進(jìn)擴展。當(dāng)剪切帶擴展再次啟動時，要求擴展前沿處應(yīng)力水平達(dá)到剪切帶萌生臨界應(yīng)力，因此外載荷必須增加，所以剪切帶漸進(jìn)擴展過程出現(xiàn)“表觀加工硬化”現(xiàn)象。另外，剪切帶變形在起始位置產(chǎn)生剪切臺階，使得局部出現(xiàn)原子或團(tuán)簇的收縮和膨脹(圖3[36])，在剪切面上產(chǎn)生與分切應(yīng)力相反的殘余切應(yīng)力，因此也會使得進(jìn)一步剪切需要更大的外載荷，貢獻(xiàn)表觀硬化。

上述表觀硬化機制針對單根剪切帶的漸進(jìn)擴展。對于延性較好的金屬玻璃，剪切帶萌生能壘較低[40]。隨著塑性變形的進(jìn)行，剪切帶易萌生區(qū)不斷減少，進(jìn)一步萌生新剪切帶需要更高的驅(qū)動力，因此對應(yīng)的外載荷增加[41]。另外，剪切帶相交產(chǎn)生的割階會提高剪切帶的擴展阻力[42,43]，這些都將貢獻(xiàn)“表觀加工硬化”。

剪切帶的漸進(jìn)擴展在復(fù)雜載荷作用時更加常見[44]。例如在緊湊拉伸(CT)、單邊缺口拉伸(SENT)、單邊缺口彎曲(SENB)等斷裂實驗中，剪切帶從缺口或裂紋尖端處萌生[45]，以漸進(jìn)式擴展至一定程度后停在樣品內(nèi)部。在這些加載下，應(yīng)力場非均勻分布，存在應(yīng)力梯度，剪切帶擴展的驅(qū)動力逐漸降低，因此呈現(xiàn)漸進(jìn)擴展；此時漸進(jìn)擴展的剪切帶內(nèi)應(yīng)變分布不一定是線性關(guān)系，而與局部應(yīng)力場有關(guān)。但是，與單向加載相類似[36]，在復(fù)雜載荷作用時剪切帶的漸進(jìn)擴展也會表現(xiàn)出表觀硬化行為。如在缺口試樣拉伸時，缺口根部剪切帶萌生與漸進(jìn)擴展引起缺口試樣的拉伸曲線偏離直線，進(jìn)一步產(chǎn)生明顯的表觀硬化和拉伸塑性[46]；在韌性較好的金屬玻璃裂紋擴展實驗中，裂紋尖端大量剪切帶的漸進(jìn)擴展機制引起增長型裂紋擴展阻力曲線(R曲線)[18,47]。因此，剪切帶的漸進(jìn)擴展機制對于金屬玻璃的塑性與韌性提升有重要作用。

在三點彎曲[48]和硬度實驗[49]中同樣存在應(yīng)力梯度，因此剪切帶主要以漸進(jìn)式擴展。圖4[50]給出了金屬玻璃在三點彎曲原位加載下的剪切帶擴展演化過程。可以看到，剪切帶在彎曲應(yīng)力-位移曲線的“彈性極限”附近萌生，與壓縮下情況類似。在過渡段(圖4a[50]的B區(qū))，彎曲應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)出表觀硬化行為，其主要機制在于剪切帶漸進(jìn)擴展及剪切帶之間交互作用[36]。對彎曲的拉伸與壓縮側(cè)剪切帶區(qū)尺寸測量統(tǒng)計，可見拉伸側(cè)剪切帶區(qū)更大(圖4b[50])，這可能與金屬玻璃拉伸/壓縮強度不對稱相一致[5]，即壓縮屈服強度略高于拉伸屈服強度。在彎曲應(yīng)力-位移曲線的C區(qū)，呈現(xiàn)表觀加工軟化行為，通過掃描電鏡(SEM)觀察形貌可見，主剪切帶發(fā)生開裂(圖4e[50])，引起承載能力下降。剪切帶開裂引起的表觀加工軟化行為在低溫壓縮[51]及高速壓縮[52]中也被證實。

剪切帶是金屬玻璃塑性變形的嚴(yán)重局部化區(qū)域，因此也易于損傷和開裂，是裂紋萌生的主要源頭[53]。剪切帶開裂的難易程度也是影響金屬玻璃塑性大小的重要因素之一。剪切帶開裂更難，說明可承受更多變形，則會在斷裂之前貢獻(xiàn)更多塑性應(yīng)變。剪切帶的開裂機制，在拉應(yīng)力下主要是孔洞化過程(cavitation)[54~56]，當(dāng)靜水張力達(dá)到臨界值時孔洞自發(fā)產(chǎn)生，進(jìn)而長大連接形成裂紋。然而，在無靜水張力的壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，剪切帶的開裂機制是需要被重點研究的問題。

對某些金屬玻璃壓縮變形樣品的表面進(jìn)行SEM觀察，可以在剪切帶中看到微裂紋，稱為表面裂紋[57]。那么，剪切帶內(nèi)部是否存在裂紋？Qu等[58]利用高分辨三維X射線成像(XRT)技術(shù)對鋯基金屬玻璃壓縮剪切帶開裂形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5[58]所示。通過對幾千張圖像的三維重構(gòu)，首次獲得了金屬玻璃壓縮剪切帶裂紋的三維形貌(圖5c[58])。對這些三維裂紋進(jìn)行表征，可以看到它們離散地分布在剪切帶面附近，其厚度為幾十微米，遠(yuǎn)大于剪切帶納米尺度的特征厚度，卻與剪切帶影響區(qū)尺寸類似[7,11]，說明不僅剪切帶的核心，其影響區(qū)也會產(chǎn)生損傷開裂。另外，剪切帶裂紋的三維形貌也表明剪切帶并非完全平面，這與金屬玻璃的結(jié)構(gòu)不均勻性相一致[14]。

通過對金屬玻璃壓縮變形及剪切帶開裂行為的實驗觀察和分析，Qu等[58]在前人工作[59~63]的基礎(chǔ)上，歸納出壓縮加載下剪切帶開裂的3種機制。

(1) 過剩自由體積產(chǎn)生與聚合：金屬玻璃的剪切塑性變形會產(chǎn)生更多過剩自由體積，高濃度自由體積區(qū)將是剪切帶孔洞形成的主要來源。剪切帶孔洞在形成后，將會聚集長大，并在剪切作用下拉長，進(jìn)而形成微裂紋，如圖6a~d[58]所示。

(2) 剪切帶非平面性剪切：剪切帶面并非完全平面，存在局部的起伏，如圖6e[58]所示。剪切帶在剪切擴展時受到切應(yīng)力的驅(qū)動，由于局部剪切帶與剪切方向不同，因此會受到垂直于剪切帶的拉應(yīng)力分量，進(jìn)而誘發(fā)孔洞化，引起微裂紋產(chǎn)生。

(3) 剪切帶碰撞及交割：二次剪切帶對主剪切帶進(jìn)行碰撞，或者剪切帶之間相互交割，會在碰撞點或交割處形成剪切臺階，從而產(chǎn)生局部裂紋，如圖6f[58]所示。

金屬玻璃在拉伸或壓縮載荷下沿主剪切帶發(fā)生的剪切斷裂機制至今已有大量研究[64,65]。在斷口上，一般可以看到脈絡(luò)狀花樣，這是由于在剪切斷裂瞬間會產(chǎn)生巨大的熱釋放[66,67]，引起剪切帶材料的高溫軟化(或熔化)，并在外載荷作用下分開時發(fā)生Taylor失穩(wěn)而形成[68]，因此斷口存在脈絡(luò)花樣的剪切斷裂可稱為“熱”斷裂。然而，Wu等[51]和Qu等[69~71]最新研究發(fā)現(xiàn)，在給金屬玻璃樣品施加限制、或減小樣品幾何尺寸、或降低實驗溫度時，均可能發(fā)生剪切帶的“冷”斷裂行為，即在剪切斷裂時無顯著的熱釋放。

在金屬玻璃表面鍍錫是檢驗剪切帶變形與斷裂過程溫升行為的重要方法[67]。如果錫在變形或斷裂過程發(fā)生熔化，則說明局部溫升高于200℃。在Vit-105金屬玻璃表面鍍錫之后進(jìn)行壓縮實驗[71]，可以看到在發(fā)生剪切斷裂之后斷口附近的錫已經(jīng)熔化，如圖7b[71]所示，這與常規(guī)的剪切帶“熱”斷裂機制相一致[31,64]。然而，如果壓縮時在樣品周圍加上一個與樣品等高的鋼套筒進(jìn)行限制壓縮，剪切帶的熱斷裂則會被抑制[71]。主剪切帶上產(chǎn)生很大的穩(wěn)定剪切臺階，三維X射線成像表明，剪切帶內(nèi)部絕大部分區(qū)域已經(jīng)斷裂，但在剪切斷口附近所鍍的錫卻并未熔化，如圖7c~f[71]所示。同時，斷口上也未看到脈絡(luò)花樣，而是摩擦形貌(圖7h[71])，這說明限制壓縮后金屬玻璃的斷裂與一般的熱斷裂不同，可稱為剪切帶的“冷”斷裂。Qu等[69]通過對剪切帶變形過程中的能量釋放和溫升進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)外加套筒的塑性變形可有效抑制剪切帶滑動擴展速率，降低剪切帶能量耗散密度，極大地提高剪切穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制剪切帶的快速溫升與失穩(wěn)斷裂。

對金屬玻璃施加外加限制可以有2種方式：(1)在橫向施加限制，除了使用套筒，還可以引入表面涂層/鍍層[72~74]、激光[75]等表面處理；(2)在縱向施加限制，則可以構(gòu)成金屬玻璃-晶體的三明治結(jié)構(gòu)[76]或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)[77]。這些外加限制均可以有效地穩(wěn)定剪切帶擴展，抑制失穩(wěn)擴展引起的脆性熱斷裂，增加材料的塑/韌性。

如果將Vit-105金屬玻璃壓縮樣品的寬度從2 mm減小到1 mm，其剪切帶斷裂方式也會從“熱”斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;冷”斷裂[70]。首先，小樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出壓縮塑性應(yīng)變的急劇提升，出現(xiàn)了表觀加工軟化現(xiàn)象，如圖8a[70]所示。其次，變形后的樣品上有較大的剪切臺階(圖8b和c[70])，與大塑性應(yīng)變相對應(yīng)。再次，XRT顯示主剪切帶內(nèi)部完全斷裂(圖8d和e[70])，斷口上也沒有脈絡(luò)花樣，僅有摩擦形貌(圖8f和g[70])。這些特征與上述限制壓縮下的剪切帶冷斷裂相類似，表明樣品幾何尺寸是影響剪切帶斷裂方式轉(zhuǎn)變的重要因素。通過對壓縮塑性變形過程一次剪切事件的能量分析，發(fā)現(xiàn)減小樣品尺寸可顯著降低剪切帶擴展的能量釋放率和能量耗散密度，提高剪切帶擴展的穩(wěn)定性，最終抑制剪切帶失穩(wěn)所引起的熱斷裂，促進(jìn)剪切帶穩(wěn)定擴展，引起剪切帶冷斷裂。

環(huán)境溫度對金屬玻璃的剪切塑性變形和斷裂機制有重要影響[27,78]。Ti32.8Zr30.2Ni5.3Cu9Be22.7金屬玻璃在室溫下表現(xiàn)出幾乎零塑性的快速失穩(wěn)斷裂，然而隨著實驗溫度降低，該合金的變形斷裂行為出現(xiàn)明顯變化[51]：壓縮塑性應(yīng)變顯著提高，同時出現(xiàn)表觀軟化行為(圖9a[51])，并且斷口形貌從典型的脈絡(luò)花樣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ列蚊病Ｈ绻麑嗔褢?yīng)力(σr)和脈絡(luò)區(qū)面積分?jǐn)?shù)(fv)之間關(guān)系繪圖，會看到良好的線性關(guān)系(圖9b[51])，說明脈絡(luò)花樣的形成與斷裂應(yīng)力或斷裂瞬間的彈性能釋放有關(guān)。用XRT在樣品斷裂前停載觀察(圖9c和d[51])，可以看到隨著塑性應(yīng)變的提高，剪切帶內(nèi)部承載的未開裂區(qū)面積下降，這會引起宏觀上的加工軟化行為。在最終斷裂時，剪切帶未開裂區(qū)形成了脈絡(luò)花樣，而已開裂區(qū)則由于裂紋面的摩擦而形成摩擦形貌。最近， Liu等[54]與Qu等[69]在其他金屬玻璃中也都發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)部裂紋與斷口摩擦形貌之間存在對應(yīng)關(guān)系。若定義斷裂載荷與斷口上脈絡(luò)區(qū)面積之比為真實斷裂應(yīng)力(σtr)，則可看到：雖然實驗溫度變化很大，但σtr幾乎與屈服應(yīng)力相當(dāng)(圖9e[51])，這表明主剪切帶未開裂區(qū)的強度隨溫度下降變化不大，因此低溫下的表觀軟化行為主要是剪切帶裂紋演化所導(dǎo)致。由于低溫對金屬玻璃剪切帶擴展的穩(wěn)定作用及對剪切帶開裂的抑制作用，導(dǎo)致其斷裂方式隨溫度的降低由“熱”的快速失穩(wěn)斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;冷”的緩慢漸進(jìn)開裂。

值得注意的是，降低環(huán)境溫度不僅會穩(wěn)定剪切帶擴展，并促進(jìn)剪切帶冷斷裂模式的發(fā)生，還會誘發(fā)正斷產(chǎn)生。剪切帶斷裂雖有冷與熱2種不同的模式，但都屬于剪切帶主導(dǎo)的剪切斷裂。正斷是與切應(yīng)力主導(dǎo)的剪切斷裂完全不同的斷裂機制，由正應(yīng)力主導(dǎo)。Jiang等[78]和Li等[79]分別在Vit-1金屬玻璃及Vit-105金屬玻璃中發(fā)現(xiàn)，在較低溫度下拉伸強度會嚴(yán)重降低，同時拉伸斷裂方式也從剪切斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜唷u等[80]最近通過對TiZr基金屬玻璃的研究并與其他金屬玻璃的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)隨著溫度下降，金屬玻璃的剪切強度有所增加，但正斷強度略有下降或保持不變，使得剪切與正斷的臨界斷裂應(yīng)力之比(即橢圓準(zhǔn)則中的斷裂方式因子α[81])隨溫度降低而明顯升高，引起斷裂方式由剪切向正斷主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變趨勢。

疲勞性能是保障金屬玻璃及其構(gòu)件安全使用的重要指標(biāo)。盡管金屬玻璃具有高強度、高硬度等優(yōu)異的力學(xué)性能，但大多數(shù)成分金屬玻璃的疲勞性能并不理想[82~84]。研究[85~87]表明，剪切帶機制是影響金屬玻璃疲勞性能的重要原因。對循環(huán)加載下剪切帶萌生和擴展行為的研究，不僅有助于金屬玻璃的抗疲勞設(shè)計，也有助于豐富和發(fā)展剪切帶理論。

Wang等[88,89]利用準(zhǔn)原位方法直接觀察Vit-105金屬玻璃在循環(huán)壓縮下剪切帶的演化過程。結(jié)果表明，剪切帶能在低于屈服強度的循環(huán)應(yīng)力水平下萌生。通過劃痕法測量并繪制了不同循環(huán)加載周數(shù)下剪切帶上局部剪切位移(λ)和該位移所在位置到剪切帶起始處距離(δ)的關(guān)系，如圖10[88]所示。可清楚地看到，不同循環(huán)加載周數(shù)下λ與δ都呈現(xiàn)線性關(guān)系，與單調(diào)加載下的變化趨勢類似，這表明循環(huán)加載下剪切帶也以漸進(jìn)方式進(jìn)行擴展。Sha等[90]對Cu-Zr基金屬玻璃拉-壓循環(huán)變形行為的分子動力學(xué)模擬結(jié)果也為剪切帶的漸進(jìn)擴展方式提供了證據(jù)。

在單向壓縮加載下剪切帶發(fā)生漸進(jìn)擴展需要進(jìn)一步增加外加應(yīng)力，即表現(xiàn)出表觀加工硬化行為[36]。與單向壓縮對比，在同一循環(huán)應(yīng)力水平下剪切帶的漸進(jìn)式擴展間接表明金屬玻璃發(fā)生了循環(huán)塑性軟化行為。Ye等[91]開展了金屬玻璃循環(huán)變形的分子動力學(xué)模擬，觀察到彈性模量的軟化現(xiàn)象。Zhang等[92]開展了金屬玻璃的疲勞實驗，發(fā)現(xiàn)循環(huán)應(yīng)變隨著加載周數(shù)的增加而逐漸增加。循環(huán)軟化與循環(huán)加載下微觀結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，由“自由體積”的激發(fā)、增殖和聚合所引起。Cheng和Ma[38]及Qu等[36]認(rèn)為剪切帶萌生的臨界應(yīng)力比剪切帶擴展的臨界應(yīng)力高。此外，Packard和Schuh[93]指出，只有當(dāng)前方擴展路徑上的應(yīng)力均達(dá)到剪切帶擴展臨界應(yīng)力(屈服應(yīng)力)時，剪切帶才會擴展。當(dāng)剪切帶停止在樣品內(nèi)部時，循環(huán)加載引起的軟化行為或自由體積的增加導(dǎo)致剪切帶萌生和擴展的臨界應(yīng)力降低，使得局部應(yīng)力將重新滿足剪切帶擴展的臨界條件，剪切帶漸進(jìn)式擴展。

對于晶體材料，疲勞裂紋易于從滑移帶、晶界等位置形成。金屬玻璃沒有這些晶體學(xué)缺陷，剪切帶被認(rèn)為是其疲勞裂紋萌生與擴展的主要介質(zhì)，但該論述主要基于疲勞斷口附近的表面區(qū)域剪切帶的發(fā)現(xiàn)[87,94,95]。因此，剪切帶作為金屬玻璃疲勞開裂的源頭仍然缺乏直接的實驗證據(jù)。Wang等[96]通過準(zhǔn)原位的方法準(zhǔn)確捕捉到循環(huán)壓縮下Vit-105金屬玻璃剪切帶的開裂，如圖11[96]所示。可以看到，隨著加載周數(shù)的增加，剪切帶起始處剪切位移增大，當(dāng)該位移達(dá)到臨界值時，疲勞裂紋從剪切帶起始處萌生，隨后沿著剪切帶擴展，這直接證明了剪切帶主導(dǎo)的疲勞開裂機制。

對循環(huán)加載下Vit-105金屬玻璃多條剪切帶開裂時剪切帶起始處的臨界剪切位移進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)該值為(4.6 ± 1.1) μm。在小沖壓實驗中，Vit-105金屬玻璃發(fā)生剪切斷裂的臨界剪切位移約為70 μm[97]；在單向拉伸和壓縮下，Vit-105金屬玻璃發(fā)生剪切斷裂的臨界剪切位移分別約為27和73 μm[57,98]。將循環(huán)加載和靜態(tài)加載下的臨界值進(jìn)行對比，可以看到循環(huán)加載下臨界剪切位移遠(yuǎn)低于靜態(tài)加載，這表明循環(huán)載荷促進(jìn)金屬玻璃剪切帶的開裂。

圖11c[96]是循環(huán)壓縮下金屬玻璃剪切帶起始處剪切位移和疲勞裂紋長度與加載周次的關(guān)系曲線。可以看出，疲勞裂紋以恒定的速率進(jìn)行擴展，該速率高于拉-拉或者彎曲疲勞加載下鋯基金屬玻璃的穩(wěn)態(tài)疲勞裂紋擴展速率，與高強晶體材料的變化規(guī)律是相反的，這可能與金屬玻璃獨特的剪切帶主導(dǎo)的疲勞機制有關(guān)[99,100]。另一方面，金屬玻璃疲勞損傷過程可分為3個階段：第I階段，只有剪切帶存在；第II階段，剪切帶繼續(xù)擴展，同時疲勞裂紋形成并擴展；第III階段，剪切帶停止擴展，但疲勞裂紋持續(xù)擴展。基于剪切帶與疲勞裂紋擴展之間的關(guān)系，通過進(jìn)一步的公式推導(dǎo)，可獲得疲勞裂紋擴展時剪切帶開裂的臨界剪切位移，具體推導(dǎo)過程及臨界剪切位移隨周次的變化規(guī)律可參考文獻(xiàn)[96]。

鈷、鐵、鎂基等脆性金屬玻璃在單向壓縮下將發(fā)生破碎斷裂[5,21,22,101]。Zhang等[22]提出脆性壓縮斷裂是動態(tài)斷裂過程，樣品破碎成顆粒狀將增加斷裂面面積，有利于能量的快速釋放。Qu等[102]最近通過對高強度鈷基金屬玻璃在斷裂前卸載觀察，并結(jié)合三維X射線成像分析，發(fā)現(xiàn)破碎斷裂的本質(zhì)是源于應(yīng)力集中點(如鑄造缺陷)的劈裂機制(圖12a~c[102])，與脆性陶瓷的壓縮劈裂機制類似[103]。當(dāng)壓縮時，在孔洞等缺陷的南北極位置會產(chǎn)生拉應(yīng)力，誘發(fā)劈裂裂紋沿平行于加載軸方向萌生。多個位置的微裂紋萌生、發(fā)展演化及應(yīng)力場的相互影響，最終產(chǎn)生交錯發(fā)展的裂紋并以破碎方式斷裂(圖12d~g[102])。值得注意的是，劈裂裂紋與剪切帶完全獨立存在，并非剪切帶變形損傷的結(jié)果。

當(dāng)樣品尺寸減小時，鈷基金屬玻璃發(fā)生從劈裂主導(dǎo)的脆性破碎斷裂到剪切帶主導(dǎo)的塑性剪切變形行為[102]，與其他脆性金屬玻璃類似[28,104]。這種因試樣幾何尺寸引起的脆-延轉(zhuǎn)變現(xiàn)象與韌性金屬玻璃中看到的塑性變形尺寸效應(yīng)不同[70,105~107]，后者的主導(dǎo)變形機制為剪切帶機制，塑性的提高可歸因于尺寸減小時剪切帶擴展穩(wěn)定性的增加[70,105]。由于缺陷在塊體鈷基金屬玻璃的脆性斷裂中有著重要作用，那么在微米尺度下未發(fā)生劈裂斷裂是否由于缺少大的缺陷？為驗證該結(jié)論，Qu等[102]人為地引入不同尺寸的圓孔缺陷，并開展微壓縮實驗及三維有限元模擬。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)脆性材料不同，劈裂的發(fā)生并非受最大拉應(yīng)力主導(dǎo)，而是需要一定尺寸的高應(yīng)力區(qū)。由于尺寸較大的缺陷附近高應(yīng)力區(qū)尺寸大，因此劈裂易于發(fā)生；隨著樣品尺寸的減小，存在大尺寸缺陷的幾率急劇降低，所以會出現(xiàn)劈裂到剪切的轉(zhuǎn)變。另外，含孔的微米柱發(fā)生剪切變形與斷裂時，其剪切帶擴展的臨界應(yīng)力由剪切面準(zhǔn)則控制[93]，因此可推導(dǎo)出含缺陷金屬玻璃剪切斷裂強度與缺陷尺寸關(guān)系。圖13[102]中虛線是基于剪切面準(zhǔn)則對含缺陷鈷基非晶合金剪切強度的預(yù)測，可以看到與實驗結(jié)果吻合良好。基于斷裂力學(xué)所推導(dǎo)的劈裂發(fā)生必要條件，可以預(yù)測發(fā)生劈裂的最低應(yīng)力，如圖13[102]中實線所示。實驗中劈裂發(fā)生的2種樣品的名義強度均等于或高于該預(yù)測應(yīng)力，說明理論預(yù)測的合理性。改善高強金屬玻璃塑/韌性的重要策略是復(fù)合化，然而如何理性地設(shè)計第二相的尺寸和分布？通過對鈷基金屬玻璃斷裂機制研究，可以得出含缺陷金屬玻璃發(fā)生劈裂和剪切的應(yīng)力條件。由于第二相與缺陷在應(yīng)力場的相似性，上述剪切與劈裂條件可為含第二相的高強金屬玻璃復(fù)合材料設(shè)計提供指導(dǎo)[102]，即可促使第二相附近的金屬玻璃基體發(fā)生剪切而非劈裂，從而抑制脆性斷裂。

雖然拉伸塑性近乎為零，但有的金屬玻璃斷裂韌性卻較高，這使得金屬玻璃表現(xiàn)出比較有趣的缺口拉伸行為。在拉伸樣品中引入雙邊缺口進(jìn)而開展缺口拉伸實驗[46]，可以發(fā)現(xiàn)：(1) 缺口拉伸名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出更多塑性應(yīng)變，與光滑樣品拉伸相比，名義塑性提高，這與傳統(tǒng)晶體金屬材料(如多晶銅)不同，后者常常會出現(xiàn)缺口脆化現(xiàn)象；(2) 缺口拉伸強度與光滑樣品拉伸強度相比并沒有大幅降低，表現(xiàn)出強度對缺口不敏感性，這與傳統(tǒng)脆性材料(如陶瓷)不同，后者強度在引入缺口后會大幅降低。

缺口引起拉伸塑性提高的現(xiàn)象可由缺口對剪切帶變形的作用來解釋[19]。光滑樣品拉伸時剪切帶受均勻拉應(yīng)力，因此在剪切帶萌生之后會以漸進(jìn)擴展方式快速貫穿樣品，之后剪切帶承受外部載荷。由于金屬玻璃的本征加工軟化行為，剪切帶獨立承載時極易失穩(wěn)，引起近乎零塑性的拉伸斷裂。在缺口拉伸時，缺口根部的應(yīng)力集中促進(jìn)剪切帶萌生，同時隨著與缺口根部距離的增加，應(yīng)力水平逐漸減小，這種負(fù)應(yīng)力梯度的存在降低了剪切帶漸進(jìn)擴展速率，從而使得缺口根部形成剪切帶區(qū)，如圖14a和b[19]所示。高密度剪切帶為樣品貢獻(xiàn)更多塑性應(yīng)變，使得拉伸塑性提高。值得注意的是，對于平板型缺口拉伸樣品，斷裂仍然為剪切斷裂，斷裂沿著具有最大剪切臺階(斷口光滑區(qū)，如圖14c[19]所示)的主剪切帶發(fā)生。

缺口對拉伸強度的影響可用缺口強度比(NSR)來表征[46,108]。NSR定義為缺口樣品的缺口強度(σN，即名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最高應(yīng)力)與光滑樣品的抗拉強度(σT)之比，即NSR =σN/σT。對于缺口應(yīng)力集中系數(shù)Kt= 3的缺口樣品，鋯基金屬玻璃Vit-105的NSR ≈ 1，表明強度對缺口不敏感[46]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)缺口尖銳程度(對應(yīng)Kt的變化)會引起NSR變化。隨著缺口根部應(yīng)力集中程度增強(Kt增加)，NSR逐漸降低。圖14d[19]對比了3種鋯基金屬玻璃與傳統(tǒng)材料(陶瓷、鎂合金和鋼)的NSR隨Kt的變化關(guān)系，可以看到鋯基金屬玻璃的NSR遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的脆性陶瓷材料，甚至優(yōu)于AZ80A鎂合金，說明金屬玻璃具有較好的缺口不敏感性。另外，Lei等[109]與Pan等[110]分別在圓柱狀金屬玻璃的缺口拉伸試樣中觀察到斷裂方式轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，即隨著缺口深度的增加或缺口半徑的減小，拉伸斷裂方式從剪切轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜啵瑪嗫谛蚊灿傻湫偷募羟忻}絡(luò)花樣轉(zhuǎn)變?yōu)楸F狀斷口，同時伴隨著缺口強度的升高。該現(xiàn)象在薄板狀缺口樣品中并未觀察到[19]，可歸因于高的應(yīng)力三軸度(對應(yīng)于高的靜水張力)所引起剪切變形驅(qū)動力減小及正斷空洞化驅(qū)動力的增加[111]。

金屬玻璃的缺口強化效應(yīng)在缺口彎曲實驗中也被觀察到[112]。在彎曲加載下缺口不僅影響強度，也影響剪切帶的分布和形貌。在缺口彎曲樣品中，剪切帶從缺口根部萌生，呈現(xiàn)分叉形貌；近表面區(qū)的剪切帶以平面外剪切方式擴展。然而在光滑樣品彎曲時，拉伸側(cè)剪切帶與拉伸應(yīng)力呈一定剪切角，與單向拉伸剪切斷裂角相近；剪切帶擴展以平面內(nèi)剪切為主。這種剪切帶擴展方向的不同源于局部應(yīng)力分布的不同，可以用橢圓準(zhǔn)則[81,113~115]進(jìn)行解釋。

金屬玻璃獨特的剪切帶變形機制導(dǎo)致其強度對缺口不敏感，同時在引入缺口后拉伸塑性提高[19,46,116,117]。那么金屬玻璃的缺口疲勞行為如何？Wang等[20]將金屬玻璃和超高強鋼的力學(xué)性能進(jìn)行比較。雖然在拉伸和壓縮下金屬玻璃的強度和塑性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超高強鋼，但2種材料的缺口彎曲疲勞極限卻相當(dāng)，金屬玻璃的疲勞比甚至更高，如圖15[20]所示。這表明高強材料的缺口疲勞性能與拉伸強度、塑性并非具有正相關(guān)的關(guān)系。

在疲勞裂紋萌生之前，剪切帶在金屬玻璃樣品缺口根部前端區(qū)域形成，其密度隨著循環(huán)應(yīng)力的增加而增大。一方面，缺口產(chǎn)生的三向拉應(yīng)力和應(yīng)力集中促進(jìn)自由體積的產(chǎn)生與增殖，有利于剪切帶的萌生，同時缺口和彎曲載荷引起的負(fù)應(yīng)力梯度將穩(wěn)定并阻止剪切帶向樣品內(nèi)部擴展，最終導(dǎo)致缺口前端區(qū)域產(chǎn)生大量的剪切帶。此外，金屬玻璃缺口樣品疲勞裂紋以“Zig-Zag”的方式沿著剪切帶擴展，形成臺階狀的疲勞裂紋路徑，而且在裂紋附近出現(xiàn)大量的剪切帶。在高韌性金屬玻璃中常常發(fā)現(xiàn)類似的疲勞裂紋擴展特征[118,119]。金屬玻璃獨特的缺口疲勞性能與缺口根部和裂紋附近的大量剪切變形有關(guān)。剪切帶引起的屏蔽效應(yīng)以及疲勞裂紋擴展路徑偏離最大拉應(yīng)力面，導(dǎo)致疲勞裂紋擴展壽命的增加，最終推遲疲勞斷裂的發(fā)生。

相比金屬晶體材料，金屬玻璃具有更高的強度，源于其無位錯、晶界等晶體缺陷，因此發(fā)生不可逆塑性變形所需的應(yīng)力(屈服強度)極大。也正是由于無位錯，金屬玻璃的塑性變形易于集中于無晶體學(xué)取向、且加工軟化的剪切帶中[4]，引起近乎為零的宏觀拉伸塑性。然而，由前述討論可知，在金屬玻璃中引入缺口等人造缺陷，并不會如脆性材料那樣引起強度的大幅降低，反而會抑制脆性斷裂，進(jìn)而展現(xiàn)出一定的拉伸塑性，這是由于引入缺陷會造成局部的應(yīng)力狀態(tài)不均勻，從而引起剪切帶在缺陷處更多地萌生，但卻更緩慢地生長，從而產(chǎn)生豐富且漸進(jìn)擴展的小剪切帶，貢獻(xiàn)更多塑性應(yīng)變。除了引入人造宏、微觀幾何缺陷，也可以對金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行調(diào)節(jié)。微觀結(jié)構(gòu)缺陷是指金屬玻璃中的易變形區(qū)，如高濃度自由體積區(qū)、流變單元[120]、軟點[121]等，是剪切轉(zhuǎn)變及剪切帶萌生的優(yōu)先位置[14]。已經(jīng)證明，通過在玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)前退火可有效減少自由體積[122]，而通過冷熱循環(huán)、預(yù)變形等可增加易變形區(qū)密度[123~126]。因此，本文提出金屬玻璃的“缺陷工程”策略來調(diào)控其力學(xué)性能，其主要思想是通過對內(nèi)、外在缺陷的調(diào)控和設(shè)計來改善金屬玻璃的力學(xué)性能。

缺陷工程包括對本征缺陷(intrinsic defects)與外在缺陷(extrinsic defects) 2個層面的設(shè)計。大量研究[123,126~130]已經(jīng)表明，通過對本征缺陷的調(diào)節(jié)，金屬玻璃的塑性變形能力可以得到極大地改善。在疲勞性能調(diào)控方面，Wang等[131]最近的研究發(fā)現(xiàn)，通過對金屬玻璃進(jìn)行退火來減少易變形區(qū)密度，從而抑制疲勞剪切帶的萌生，可以有效地提高疲勞裂紋萌生抗力，實現(xiàn)了疲勞強度的大幅改善。當(dāng)然，若實現(xiàn)易變形區(qū)密度的極大增加，則可改善金屬玻璃的本征塑性變形能力及斷裂韌性，從而會提高疲勞裂紋擴展能力，則會有更高的疲勞壽命，如在具有高斷裂韌性的鈀基[118]和鋯基[119]金屬玻璃中均看到優(yōu)異的疲勞性能。

缺陷工程的外在缺陷設(shè)計，是通過引入外在缺陷來改善金屬玻璃材料的力學(xué)性能。Qu等[132,133]提出引入設(shè)計分布的缺陷來改善金屬玻璃的拉伸塑性。通過快速缺陷壓印(RDP)的方式[132,134]，可在金屬玻璃表面引入規(guī)則排列的壓痕缺陷，如圖16[132]所示。當(dāng)施加拉伸應(yīng)力時，剪切帶從壓痕處萌生，形成多個高密度剪切帶區(qū)，從而貢獻(xiàn)拉伸塑性，使得含缺陷樣品在犧牲少量屈服強度的同時，產(chǎn)生了可觀的拉伸塑性，實現(xiàn)了對拉伸災(zāi)難性脆斷的抑制。除此之外，Sarac和Schroers[135]通過熱塑性變形方式來引入孔洞的金屬玻璃材料來設(shè)計產(chǎn)生拉伸塑性；Gao等[136]通過激光表面織構(gòu)化處理等。另外，對于缺陷的原子尺度作用機理、缺陷尺寸與分布的影響、缺陷與剪切帶的作用規(guī)律等也已有了深入的研究[137~142]，這些研究為缺陷工程策略的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于金屬玻璃剪切帶的研究可追溯到20世紀(jì)70年代[143]，那時某些金屬玻璃的尺寸已足夠大，可使宏觀力學(xué)性能得以研究。剪切帶所涉及的科學(xué)問題很多，本文僅就剪切帶擴展、開裂及其行為調(diào)控作了部分評述。剪切帶的擴展方式包括同步擴展與漸進(jìn)擴展，在漸進(jìn)擴展時會出現(xiàn)“表觀硬化”行為，這是存在未貫穿剪切帶(或形成剪切帶區(qū))的樣品表現(xiàn)出加工硬化行為的主要原因，比如彎曲、缺口拉伸/壓縮、裂紋尖端的剪切帶變形等。剪切帶斷裂分為熱斷裂和冷斷裂，前者源于剪切帶的失穩(wěn)擴展，后者是在剪切帶穩(wěn)定擴展過程中逐漸開裂所致。在外加限制、小樣品尺寸、低溫等條件下，剪切帶擴展能量耗散密度顯著降低，剪切帶擴展穩(wěn)定性增加，從而使得剪切帶不可控的失穩(wěn)熱斷裂被有效抑制。在高應(yīng)力水平的循環(huán)加載下，剪切帶仍是變形斷裂的主要機制，但與準(zhǔn)靜態(tài)加載相比，疲勞剪切帶更易于開裂，這與循環(huán)應(yīng)力對金屬玻璃結(jié)構(gòu)的影響有關(guān)。通過調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)缺陷，可以有效提升金屬玻璃的疲勞性能；通過引入設(shè)計分布的人造缺陷，可以改善金屬玻璃的拉伸塑性。因此，本文提出金屬玻璃“缺陷工程”策略，重點在于通過對內(nèi)、外在缺陷的調(diào)節(jié)、設(shè)計和引入來改善金屬玻璃力學(xué)性能。該策略已被大量的實驗研究所驗證，也已有不少不同尺度和類型的缺陷與剪切帶交互作用機理的計算模擬研究。

剪切帶對于金屬玻璃的重要作用可與位錯對金屬晶體的作用相比。位錯與其他晶體缺陷之間的交互作用(如位錯與位錯、位錯與第二相粒子、位錯與晶界之間作用等)已有非常成熟的理論模型，這些模型是晶體的強化理論和晶體塑性理論的基礎(chǔ)。相比而言，對于金屬玻璃剪切帶的研究目前大多處于唯象層面，而揭示剪切帶變形本質(zhì)的理論研究較少，其根本原因可能在于缺乏對金屬玻璃結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確描述方法。這導(dǎo)致對于金屬玻璃剪切帶行為的調(diào)控缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，如在缺陷工程中，通過實驗與模擬研究雖然能夠為缺陷設(shè)計提供指導(dǎo)，但卻難以準(zhǔn)確地預(yù)測達(dá)到最優(yōu)力學(xué)性能的最佳微觀組織/缺陷尺寸分布狀態(tài)。近年來研究者運用機器學(xué)習(xí)方法已在新金屬玻璃開發(fā)、塑性變形及斷裂問題上有重要突破[144~146]，相信機器學(xué)習(xí)也將為金屬玻璃的缺陷設(shè)計和性能優(yōu)化提供有力的指導(dǎo)。另外，關(guān)于剪切帶的擴展與開裂雖然已有不少研究，但對于剪切帶萌生機理的研究還主要停留在計算模擬或間接的實驗探測階段[147~149]，缺少直接的實驗證據(jù)，主要是因為剪切帶萌生所涉及尺度過小。近年來的微納米加工與微納力學(xué)實驗技術(shù)的發(fā)展為剪切帶萌生行為的實驗研究燃起了希望[150,151]，但未來仍需有更多創(chuàng)新性的實驗設(shè)計。