块体非晶合金原子结构的本征特性及形变的微观机制

So far, we have done almost all the proposed researches and implemented expected goals according to the natural science foundation for young scholars program. In particular, we have made innovative progresses in atomic structures and nanocrystallization mechanism of metallic glasses. These research outcomes lead to eight high-profile academic papers published in high-impact journals, such as Physical Review Letters and Aata Materialia, four presentations in international conferences, three patents of invention, and one Natural Science Awards from Ministry of Education in China. Based on these outcomes, this proposed research is aiming at revealing the intrinsic features of atomic structure, then correlating them with mechanical behaviors, and finally constructing the relationship between the atomic structure and deformation behaviors, in bulk metallic glasses. We tend to systematically study atomic structures and their responses to deformation in bulk metallic glasses, through a unique combination of theoretical calculations and the state-of-the-art experimental techniques. The intrinsic atomic packing feature will be unveiled through an in-depth analysis of the global packing character. We will develop a scientific and quantitative approach to characterizing the intrinsic structure by resolving the intrinsic atomic packing features in an analytical form. With this structural characterization method, we will ultimately elucidate the microscopic deformation mechanism of bulk metallic glasses, through an extensive investigation on the dynamic evolution of atomic structure upon suffering from external strains or applied stresses. The implementation of this proposal thus will expect to lead to a comprehensive understanding the atomic structure and mechanical behaviors. Furthermore, it will offer a theoretical fundamental for building the structure-property relationship in bulk metallic glasses.

目前，我们已基本完成了青年科学基金项目计划的各项研究任务，实现了预期目标，并在非晶合金的原子结构和纳米晶化机制等方面取得了创新性的研究进展。相关研究结果已经在《Phys. Rev. Lett.》、《Aata Mater.》等国际期刊上发表SCI论文8篇，申请国家发明专利3项，参加国际会议4次，获教育部自然科学二等奖1项。在此基础上，本项目提出以揭示块体非晶合金原子结构的本征特性为出发点，以建立原子结构-形变关系为最终目标，拟采用计算模拟与先进实验技术相结合的方法，对块体非晶合金的原子结构及其对材料形变的响应规律进行系统研究。通过对原子结构本征特性的数值解析，提出一个科学的、可量化的结构表征方法；应用该表征方法对外加应力-应变场作用下原子结构的动态演化过程进行系统分析，揭示块体非晶合金形变的微观机制。项目的成功开展将促进对非晶原子结构本质的认识，为建立非晶合金的结构-性能关系奠定理论基础。

非晶合金原子结构的本质是理解玻璃转变及非晶合金独特力学行为的基本依据。本项目以揭示非晶合金原子结构的本征特性为出发点，采用计算模拟与实验技术相结合的方法，对块体非晶合金的原子结构及其对温度和应变的响应规律进行了系统研究，取得了以下主要进展：（1）实现了对非晶合金中局域平移对称性(LTS)这一本征结构的科学定量表征；（2）系统研究了LTS结构在合金冷却过程中随温度的演变规律，在此基础上揭示了玻璃转变的结构起源；（3）获得了LTS结构在非晶合金拉伸形变过程中随应变量的演变规律和作用机理，在此基础上揭示了非晶合金形变的微观结构起源；（4）揭示了非晶合金在纳米尺度上的结构不均匀性本质及其与玻璃形成能力的关系；（5）证实了非晶合金的形变不均匀性，并揭示了形变不均匀性与结构不均匀性的关联；（6）系统研究了非晶合金在弹性范围内的循环加载行为，揭示了循环加载对非晶合金力学性能的影响规律；（7）通过统计分析的方法，建立了非晶合金中结构因子第一峰峰位与材料强度之间的关联；（8）通过模拟纳米压痕的方法定量表征了非晶的力学行为不均匀性，建立了力学行为不均匀性与玻璃形成能力之间的联系；（9）在系统研究非晶合金原子结构和能量状态与合金成分关系的基础上，提出了一个预测合金玻璃形成能力的理论参数；（10）通过合金化异质形核的思想，开发出大尺寸TRIP效应韧塑化的非晶合金复合材料。截止目前，项目资助的相关研究成果在《Advanced Materials》、《Acta Materialia》等国际期刊上发表SCI论文23篇，参加国际会议9次，获得国家发明专利3项，1人入选教育部新世纪优秀人才计划，培养博士生3人，硕士生5人。项目的开展不仅促进了对非晶合金原子结构本征特性的全面认识，加深了对玻璃转变及形变结构起源的理解，而且为建立非晶合金中的结构-性能关系提供了理论基础。