金属玻璃“中程序缺陷”特征及其对冲击失效行为的影响机理

The macroscopic failure of materials is closely related to intrinsic structural defects on microscopic scale. As an amorphous alloy lack of long range order, dynamic failure of metallic glasses is unusually attributed to evolution of defects on short range such as free volume and disclinations. However, recent work shows that there are medium range orders (MRO) and defects in metallic glasses. These MRO defects on a larger scale may have significantly influence on the material properties. To address the issue, the characteristics of the MRO defects and the role that they play during dynamic failure process will be studied. Based on experimental data, atomic structure of metallic glasses will be constructed and investigated, in order to find more evidence on existence of MRO defects. Via molecular dynamics simulations, the composition and cooling rate dependence of the defects will be further investigated. Based on the concept of MRO defects, dynamic failure mechanism of metallic glasses will be studied. The role of MRO defects played during the spallation process will be discussed, and a new void nucleation model will be presented. Besides, the evolution of MRO defects during shear band nucleation process, and their effects on origin of shear banding instability will be investigated. The above work will shed light on atomic structure characteristics and dynamic failure mechanism in metallic glasses.

材料的宏观失效行为往往与其微观尺度上的缺陷密切相关。作为一种长程无序的非晶合金材料，金属玻璃的冲击失效通常被认为与自由体积、旋错等短程序尺度上（数Å）的缺陷关联。然而，最新研究表明，金属玻璃不但中程有序（1~2nm），还可能存在“中程序缺陷”。这种更大尺度上的微缺陷对其动态性能的影响可能更为显著。为揭示金属玻璃“中程序缺陷”特征及其对冲击失效行为的影响机理，本项目拟基于精密实验获取的原子结构参数构建金属玻璃微结构模型，通过对中程序缺陷的表征找到其存在的进一步证据；通过大规模分子动力学模拟，研究材料组分、冷却速率变化对中程序缺陷含量、分布的影响规律；基于中程序缺陷概念，研究中程序缺陷对层裂微损伤成核的影响机理，并发展新的微孔洞成核模型；研究剪切带形成过程中程序缺陷的演化规律，探索中程序缺陷与剪切失稳起源的关联。本项目研究将为认识金属玻璃微观结构信息和冲击失效机理提供新的线索。

由于高强度、高硬度且具有剪切自锐特性，金属玻璃在国防、空天领域具有广阔应用前景。因此，研究其在服役环境下的动态失效机理具有重要意义。一般而言，材料的宏观失效行为往往与其微观尺度上的缺陷密切相关。作为一种长程无序的非晶态材料，金属玻璃的冲击失效通常被认为与自由体积、旋错等短程序尺度上的缺陷关联。然而，研究表明金属玻璃具有中程序，还可能存在中程序缺陷。因此，为揭示金属玻璃中程序缺陷形式及其与动态失效行为的关联，本项目开展了系列研究工作。基于同步辐射实验数据，利用逆蒙特卡罗方法得到了三种组分非晶合金的原子结构。利用开发的中程序识别程序，发现Cu含量更高的Cu64Zr36非晶合金中的正二十面体团簇含量更高且更倾向于连接成大的骨架区域，从而具有更少的中程序缺陷。在实验研究的同时，我们还通过大规模分子动力学模拟研究了不同冷却速率Cu64Zr36非晶合金的微结构。结果发现随着冷却速率的降低，正二十面体团簇含量更高且连接更紧密，中程序缺陷也越少。对于冷却速率分别为10^12K/s、10^10K/s的非晶样品，可观察到的中程序缺陷数密度约为0.0711nm-3和0.0267nm-3。进一步，我们研究了不同冷却速率下非晶合金的层裂行为。通过对不同时刻微结构及微缺陷的分析发现，在动态拉伸载荷作用下，中程序缺陷出现的位置、数目在不断变化；微孔洞更倾向于在中程序缺陷附近成核；中程序缺陷的初始数密度越高，成核的微孔洞数密度也越大。此外，我们还研究了不同冷却速率非晶合金样品的剪切失稳行为。分析发现，在压缩载荷作用下，非晶合金的“骨架”会逐步解体，中程序缺陷数密度会不断上升；STZ激活事件与中程序缺陷有着较强的关联性；中程序缺陷含量越高，STZ事件激活更加频繁，塑性变形越均匀；反之，塑性变形局域化特征则越显著。本项目研究将为认识金属玻璃微观结构信息和冲击失效机理提供新的线索。