现在知道在晶体中，在一定温度下，体系总能量变化
为：¢G = ¢U ¡ T¢S。点缺陷会引起熵S 的增加，
也能引起内能¢U 变化，如图216 所示。可以看出
存在一个使体系能量最低的缺陷浓度，如果低于这个
浓度，系统能量反而升高。这意味着按照热力学要
求，晶体要达到热力学平衡就必须存在一定平衡浓度
的点缺陷，即实际晶体材料中必须存在点缺陷。在二
十世纪20 年代，是统计热力学学派的科学家包括俄
国的Frenkel，德国的Jost，Wagner 和Schottky 最先
意识到“空穴”必须存在于平衡态中。这些空位是一
种“点缺陷”，空位它本身就是一种实体，具有其本征
的特征。掌握空位的概念就像认识到电子能带中存在
使得非晶合金特别适合做一些微尺寸和精密度高的零
件，如微齿轮、光栅，光亮的外壳等，如图228所示。
近年来，非晶合金的热塑性成型尤其是在微纳米
领域成了人们研究的热点[242;427]。高密度纳米级计
算及芯片的制造中，性价比高且便于操作的工艺是简
单的冲压或浇注，如制造CD 和DVD 的制造工艺。
然而要实现纳米级制造，“主模”的精度就必须达到纳
米级。硅基铸模拥有比较好的精度，但是其强度低，
韧性差，不耐用；金属强度更高，但是内部结构中的
晶粒度太大，却达不到纳米级精度。美国耶鲁大学
的Schorers 等最近开发了用非晶合金超塑性成型制备
新型纳米器件的制造工艺，将给从计算机内存到医学
生物传感器等广阔范围的纳米器件的制造带来革命性
变化[427]。他们利用非晶合金能在超塑性区精密成型
的特点，将大块非晶合金材料做成纳米铸模，然后对
不同材料进行冲压，成品拥有纳米级精度，他们用热
模压印的图案，最高精度达到了约13 nm（成型过程
如图229 所示）。这些非晶模具比硅或钢铁强度更精
密、更加耐用，复原性更好。他们的工作证明非晶合
金是理想的高精度成型材料。但是非晶合金要实现纳
米级成型和应用，也要面对一个在所有成型工艺中都
要碰到的问题，如何使得材料既达到最高的精度，然
后然后又能将材料和铸模完整地分离。液体金属表面
展现出来的高表面张力和毛细作用在纳米尺度都会影
响成型效果。为解决上述问题，他们通过改变非晶合
金的组成成分，使得铸模填充以及铸模与成品分离过
程中，成品达到最佳的精度。
4. 非晶合金的断裂特征及断面图案
块体非晶合金的力学性能的多样性、复杂的断
裂行为，为研究脆性断裂行为、断裂形貌的特征提供
了理想的模型材料。不同的非晶合金体系具有多样
性的力学行为，其断裂韧性Kc 分布从接近理想脆
性(< 1 MPa m1=2) 到现有材料中最高值200 MPa
m1=2。另外，其断裂模式也完全不同一般的晶体材
料和脆性非金属玻璃材料。其断面形貌花样丰富多
彩。所以，块体非晶合金的出现，为研究脆性断裂行
为开辟了新的方向和内容，将大大丰富断裂和断裂形
貌的研究[126;127;428]。一般非晶合金在宏观上表现为
脆性行为[126]。对于铁基，镁基等非晶合金体系甚至
会出现破坏性的粉碎断裂。但是近年来的实验证据证
明非晶合金在微观尺度上具有塑性。例如，在Pd 基
和Mg 基等断裂韧性差别很大的非晶合金断面上都有
脉纹韧窝状结构[126]，在脆性非晶合金的断面上普遍
观察到了软化和劈裂机制相互竞争形成的周期性纳米
条纹结构（如图231）[126;127;428]，这完全不同于氧化
物玻璃的完全脆性断裂模式。非晶合金的断裂行为
和局域变形及剪切带相关，剪切带的非均匀变形并不
稳定，容易发生失稳，最终导致材料的宏观断裂。但
是剪切带失稳过程是怎样演变的，以及其背后的物理
图像并不清晰。尽管非晶合金在常温下拉伸塑性几
乎为零，表现为明显的宏观脆性断裂行为，但是从能
量的角度，在Pd 基等单相非晶合金平面应变断裂韧
性(KIC) 可以达到了200 MPa m1=2，断裂能为几十
个kJ m¡2，与微观完全脆性材料的断裂能相比（表面
能约1 J m¡2）大至少3 个数量级。显然非晶合金微
观上断裂能的耗散主要是裂尖塑性功，表面能只是很
小的一部分。在束缚条件或应力状态等条件下非晶合
金也表现出明显的宏观塑性，这也间接证实了非晶合
金在微观上塑性断裂的观点。既然非晶合金在微观
上是塑性断裂的，其裂纹尖端会发生明显的塑性变形，
而不是类似于解理型脆性断裂。但是对裂纹尖端的微
观结构演化机制认识的还远远不够。
为了理解非晶合金的断裂行为人们对断面形貌
进行了大量的研究，并提出了一些的理论模型。物
理所孙宝安等从统计的观点出发，用剪切带扩展的自
组织临界现象和混沌现象分别描述非晶合金的塑性
和脆性断裂行为[131;228»231]。非晶合金断面上的典
型形貌为脉状花纹被认为是由非均匀流变行为导致
两层固体间夹着薄薄的类似于液态一样的粘性层分
离时形成的，即“油脂模型”。该模型将剪切带类比
于两块钢板间夹着一层油脂。Lewandowski 用油脂的
模拟实验得到的图案和非晶合金断面上的图案非常
类似[429]。这证明可以引入了Taylor 失稳理论来解
释这一“指状”或脉状花纹[430]。Taylor 失稳模型认
为当某一粘性流体被迫穿过一个空穴或者一个更低
粘度的流体时，两种液体的界面将发生失稳并发展成
为“指状”的形貌。另一个解释脉状花纹的主要理论
模型为Gri±th 断裂理论[431]，模型认为非晶合金可
以看成是各向同性的弹性体，变形前体系内部存在一
个半无限扩展的微裂纹，微裂纹的尺度决定材料的断
裂强度¾y。物理所非晶组用Gri±th 理论建立了非
晶合金断面的脉纹状花样的尺寸°p 和裂纹尖端塑性
区的内在联系[126]: °p = 1
6¼( kc
¾y
)2。Lewandowski 由
断裂韧性值得到非晶合金在断裂过程中耗散的能量
为Gc = K2
c =E(1 ¡ º)2[424]。
非晶合金断面上的图案丰富多彩，但最有趣的图
案是最近通过高分辨扫描电镜发现的周期性的纳米条
汪卫华: 非晶态物质的本质和特性315
图231. 脆性非晶断面上普遍观察到的韧窝和独特的纳米条
纹结构（图上的标尺是100 nm）[428]
图232. (a) 裂纹尖端塑性变形和Taylor 失稳扰动竞
争机制示意图[127]。(b)、(c)、(d) 断裂面上的典型形
貌[126;127]：(b) 脉状花纹；(c) 韧窝状花纹；(d) 纳米条纹
图233.
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