金属玻璃剪切变形下微观结构演化规律的研究

The deformation behavior of metallic glasses can be significantly affected by the processing conditions, the working conditions and so on, suggesting the close correlation between the mechanical properties of metallic glasses and their microstructure. Consequently, investigating the microstructure evolution of metallic glasses upon shear deformation is of vital improtance to clarifying the nature of glasses as well as to discovering plastic metallic glasses with practical applications. Previous investigations suggest that a detailed understanding of the microstructure evoluction under shear deformation awaits for further investigations at the atomic scale. In accord, we propose here to explore the microstructure evolution of bulk metallic glasses by taking the CuZrAl ternary system as an example. The atomic scale modelling and simulation techniques will be employed as our major tool. The main contents to explore include the thermal stability of the as-quenched metallic glasses, the variation of their microstructure when annealled at different temperatures; observing the distributions and variations of the microstructure characteristic parameters, such as per atom energy, per atom/free volume, against the degree of shear deformation, identifying the physical/structural parameter that characterizes the degree of deformation; exploring the potential energy landscape of the metallic glasses, quantifying the variation of the thermal activation barriers against the degree of deformation, analyzing the local microstructure associated with the thermal activation events; studying the effects of temperatures and strain rates on the shear deformation behavior and/or microstructures. With that, the intrinsic correlation between the microstructure and the shear deformation behavior, the thermal stability of metallic glasses can be discussed, thereby deepening our understanding on the microstructure evolution of bulk metallic glasses upon shear deformation.

制备条件、服役环境等能显著影响金属玻璃的变形行为，表明其力学行为与微观结构密切相关。因此，认识金属玻璃剪切变形下微观结构的演化规律，对理解其力学行为、开发具实用价值的塑性金属玻璃等具有重要意义。相关研究表明，洞悉此规律尚需从原子尺度进一步深入研究。为此，本申请项目拟以CuZrAl系统为对象，以模拟计算为主要手段，从原子尺度来进行探索。主要研究内容有：考察金属玻璃的热稳定性及其与微观结构之间的关联；考察剪切变形过程中平均原子能量、体积等微观结构参量的分布与变化，甄别能够准确标度形变程度的结构或物理参量；探索金属玻璃势能曲面特征及其随变形程度的变化，分析与热激活事件相关联的局域微观结构特征；考察温度、应变速率等因素对金属玻璃剪切变形行为和微观结构的影响等。通过对比分析，探讨金属玻璃热稳定性、变形行为等与微观结构之间的内在联系，进而揭示微观结构在剪切变形过程中的演化规律及与力学性能之间的关联。

金属玻璃（或非晶态合金）长程无序短程有序的结构特点赋予了其高断裂强度、高弹性极限、耐腐蚀等优良性能，同时也带来了塑性差的缺憾。晶体中位错、孪生等促进塑性变形的因素，在金属玻璃中不复存在，如何理解和认识金属玻璃的变形机制，进而改善、提高其塑性变形能力，成为材料科学的研究热点之一。本项目基于原子尺度的分子模拟及过渡态计算方法，以Cu-Zr合金体系为主要对象，考察了金属玻璃中与塑性变形相关联的热激活事件的分布及其与微观结构之间的关联、热激活能垒随宏观应变的变化、非晶变形机制与试样尺寸之间的关系等内容，主要成果如下：一，建立了金属玻璃剪切转变事件的激活能与宏观应变之间的关系模型，基于该模型可预测同一热激活事件在不同宏观变形下的激活能垒、激活体积及热激活事件应力诱发时的临界宏观应变，进而可基于对金属玻璃中热激活事件激活能的计算，预测金属玻璃宏观塑性变形行为，深化了对金属玻璃塑性变形机制的认识。二，通过对宏观均匀、微观不均一的金属玻璃中剪切转变事件所对应的剪切转变区域微观结构与能量（包括自由体积、拓扑结构、局域原子平均势能）之间关系的剖析，鉴定出易于发生剪切转变的区域的微观结构特征，深化了对金属玻璃塑性变形过程的认识。三，通过探索应变速率、温度等对金属玻璃中剪切带形成的影响，以及剪切带中微观结构随变形过程的演化与基体结构演化之间的异同，发现了金属玻璃中剪切带形成的基本规律，深化了对金属玻璃中剪切带形成机制的认识。四，通过对不同尺寸非晶薄带变形过程的研究，发现非晶合金的变形存在显著的尺寸效应：强度与变形模式均与尺寸相关。表面的存在带来的表面区域与体内区域结构与性能差异是产生尺寸效应的主因。此外，还对与非晶合金相关的固固界面、固液界面的微观结构、界面性能行为等进行了研究，深入理解金属玻璃的性能行为。研究成果深化了对金属玻璃塑性变形机制的认识和理解，有助于探索提升金属玻璃性能的新途径。