玻璃材料是一類非平衡態(tài)材料，涵蓋了金屬玻璃、有機(jī)玻璃、硅酸鹽玻璃等多種類型，在各類工程領(lǐng)域中常作為結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)這些玻璃結(jié)構(gòu)材料在恒定形變條件下服役時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，即隨著服役時(shí)間的增長，應(yīng)力逐漸降低，從而顯著削弱材料的承載能力和穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響構(gòu)件的服役期限。因此，研究提高玻璃材料抗應(yīng)力松弛的能力并開發(fā)有效策略，對(duì)于延長構(gòu)件在工程應(yīng)用中的使用壽命和提高其可靠性，具有極其重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。

　　玻璃的機(jī)械性能與其能量狀態(tài)緊密相關(guān)，其中，玻璃在應(yīng)力松弛過程中的行為與退火過程中的老化現(xiàn)象極為相似，均涉及從高能量狀態(tài)到接近熱力學(xué)平衡態(tài)的過程。在對(duì)抗玻璃老化的研究領(lǐng)域，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Kovacs教授于1963年提出了一種創(chuàng)新的雙步退火方法：先低溫退火，再高溫退火。這一方法被證實(shí)能夠引起玻璃能量狀態(tài)的先升后降。這種非常規(guī)的能量上升，即“年輕化”（rejuvenation）現(xiàn)象，被命名為Kovacs記憶效應(yīng)。近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非晶合金磁電功能特性團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了深度弛豫和較大的激活熵是觸發(fā)Kovacs記憶效應(yīng)的關(guān)鍵因素（Physical Review Letters,2020,125(13): 35501）?；诖耍欠窨梢酝ㄟ^雙步加載實(shí)現(xiàn)類似的應(yīng)力記憶效應(yīng)，從而提高玻璃材料抵抗應(yīng)力松弛的能力？

　　最近，寧波材料所非晶合金磁電功能特性團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)不同玻璃材料（鐵基、鈦基金屬玻璃以及PVC高分子玻璃）先加載高應(yīng)變?cè)偌虞d低應(yīng)變，應(yīng)力將呈現(xiàn)先升高再降低現(xiàn)象，這種反常的應(yīng)力遞增現(xiàn)象為應(yīng)力記憶效應(yīng)（如圖1）。在更大的預(yù)加載應(yīng)變和更高的溫度下，玻璃的記憶效應(yīng)強(qiáng)度 更大，且應(yīng)力遞增的持續(xù)時(shí)間t_p也更長（如圖2）。同時(shí)在不同玻璃中觀察到，記憶效應(yīng)強(qiáng)度 隨預(yù)加載時(shí)間t_w的增長呈現(xiàn)出由短時(shí)間不顯著到長時(shí)間快速增長的雙階段特征（如圖3）。通過即時(shí)動(dòng)力學(xué)分析及可逆弛豫分析發(fā)現(xiàn)記憶效應(yīng)只有在大激活能的協(xié)同運(yùn)動(dòng)過程才顯著表現(xiàn)（如圖4）。最后通過原位拉伸高能同步輻射和可逆滯彈性弛豫分析揭示，由小原子主導(dǎo)的可逆 弛豫是應(yīng)力記憶效應(yīng)的本質(zhì)（如圖5）。上述研究成果不僅深化了先前關(guān)于大激活熵深度弛豫作為焓記憶效應(yīng)關(guān)鍵因素的理解（Physical Review Letters，2020,125(13):135501），而且揭示了記憶效應(yīng)本質(zhì)上是可逆 弛豫的物理圖形，有效支持了Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）和Amir-Oreg-Imry （AOI）等唯象模型中關(guān)于記憶效應(yīng)中快弛豫成分的假設(shè)。第二階段恒應(yīng)變加載時(shí)出現(xiàn)的反常應(yīng)力遞增現(xiàn)象，可以顯著抵抗因應(yīng)力衰減導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效。該工作為研究玻璃材料抵抗應(yīng)力松弛能力開辟了新路徑，相關(guān)成果以“Strain-driven Kovacs-like memory effect in glasses”為題發(fā)表在Nature Communications上（DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44187-x）。

　　該研究論文的第一作者為寧波材料所童鈺博士后，通訊作者為寧波材料所王軍強(qiáng)研究員和宋麗建副研究員，以及西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的Eloi Pineda教授。合作作者包含寧波材料所高玉蓉碩士研究生、水曉雪高級(jí)實(shí)驗(yàn)師、張巖研究員、高萌研究員、霍軍濤研究員；中國科學(xué)院高能物理研究所樊龍龍博士、楊一鳴副研究員、默廣副研究員；中國科學(xué)院物理研究所李福成博士、柳延輝研究員；西北工業(yè)大學(xué)喬吉超教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市等項(xiàng)目的支持。

　　圖1 玻璃中的應(yīng)力記憶效應(yīng)。（a）雙步應(yīng)變加載（ ₁ 、 ₂）示意圖；（b）固定應(yīng)變 ₁=0.5%，不同 ₂拉伸時(shí)TiZrHfCuNiBe金屬玻璃的應(yīng)力演化曲線，當(dāng) ₁＞ ₂時(shí)，應(yīng)力呈現(xiàn)先遞增再遞減；（c）在鐵基、鈦基金屬玻璃以及PVC有機(jī)玻璃中加載高—低雙步應(yīng)變時(shí)，會(huì)誘發(fā)出反常應(yīng)力遞增現(xiàn)象—應(yīng)力記憶效應(yīng)

　　圖2 更大的預(yù)加載應(yīng)變及溫度都會(huì)促進(jìn)應(yīng)力記憶效應(yīng)，具有更大記憶效應(yīng)峰值時(shí)間t_p和強(qiáng)度

　　圖3 在三種玻璃材料中均觀察到記憶效應(yīng)隨預(yù)加載時(shí)間t_w呈現(xiàn)雙階段演化特征：即在較短的預(yù)加載時(shí)間內(nèi)，記憶效應(yīng)表現(xiàn)較為微弱；當(dāng)預(yù)加載時(shí)間超過某一特定閾值后，記憶效應(yīng)會(huì)迅速增強(qiáng)，達(dá)到相對(duì)較大的數(shù)值

　　圖4 預(yù)加載應(yīng)力松弛呈現(xiàn)雙階段，短時(shí)間為可逆弛豫具有較小的激活能，為 弛豫過程；長時(shí)間為不可逆弛豫的協(xié)同運(yùn)動(dòng)過程，具有較大的激活能

　　圖5 原位拉伸高能同步輻射和可逆滯彈性弛豫分析，揭示應(yīng)力記憶效應(yīng)的本征是由小原子主導(dǎo)的局域可逆 弛豫

　　（磁材實(shí)驗(yàn)室）