超高强钴硼基块体非晶合金的原子结构特征和增韧机理

Co-B-based bulk metallic glasses (BMGs) have huge potential for the application in the micro electro-mechanical system and precise machining field because of their higher strength than other bulk metallic materials known so far. However, the brittleness problem for this class of alloys limits their use for structural applications. Although previous researches have shown that the shear deformation ability and ductility can be improved by tuning the alloy composition, the intrinsic self-toughening mechanism is unclear. In this project, we will investigate the toughness mechanism of Co-B-based BMGs from the perspective of atomic-level structure. The atomic structure of ternary Co-B-Ta amorphous alloys will be resolved by the combination of advanced synchrotron radiation X-ray experiments and ab initio molecular dynamics simulations. The effect of structural indicators including short-range order (type of clusters), medium-range order (arrangement and connection of clusters) and free volume (fraction and distribution) on the ductility will be studied in detail. With the aim of better understanding the toughness mechanism of Co-B-Ta BMGs, the relationship of composition, atomic structure and ductility will also be established. These results obtained above will help to develop new superhigh strength BMGs with good ductility, and thus promote the application of amorphous alloys in the field of engineering materials.

Co-B基块体非晶合金是已知强度最高的块体金属材料，它们在微机电系统和精密加工领域具有应用潜力。目前，块体非晶合金的脆性问题是限制其使用的主要因素。已有的研究表明，成分调整能改善此类合金自身剪切变形能力，起到增韧的作用，然而，其内在的增韧机理尚不清楚。本项目拟从原子尺度结构的角度阐述合金的增韧机理。在前期合金开发的基础上，采用先进同步辐射X射线实验和第一性原理分子动力学模拟相结合的方法解析三元Co-B-Ta非晶合金的原子结构特征；详细研究原子短程序（团簇类型）、中程序（团簇排列和连接方式）以及自由体积（含量和分布）等结构因素对于合金韧性的影响；建立“成分-原子结构-韧性”之间的内在联系，揭示合金成分调整增韧Co-B-Ta块体非晶合金的机理。本项目的研究将有助于新型韧性超高强块体非晶合金的设计和开发，促进非晶合金在工程结构材料领域的应用。

相比晶态合金，块体非晶合金具有更高的硬度和强度，但是，脆性问题是限制其作为结构材料使用的瓶颈之一。本项目通过同步辐射X射线实验和第一性原理分子动力学模拟研究了超高强Co-B-Ta块体非晶合金的原子结构，建立了“成分-原子结构-韧性”的关系，揭示了合金的韧性化机理。研究表明，以B为中心原子的团簇具有高的稳定性，其中，配位数为9和10的<0 3 6 0>、<0 2 8 0>和<0 3 6 1>多面体含量最高，是合金中的主要短程序团簇。这些团簇相互表现出最近邻非相关性，即相互排斥，分布较为疏松；同时，与以Co或Ta为中心的团簇（如<0 1 10 2>、<0 3 6 4>和<0 2 8 4>等）表现出一定的相关性，两者间相连接形成中程序结构。在Co65-xB35Tax（at.%, x = 0, 5, 8, 11）合金中，Ta元素的少量添加（5 at.%），<0 3 6 0>、<0 2 8 0>和<0 3 6 1>团簇总含量变化不大，但是，它们之间的最近邻相关性减小，在空间内分布更为疏松（自由体积增加），合金韧性提高；进一步提高Ta含量，则出现相反的变化趋势。在Co92-xBxTa8（at.%, x = 30, 32.5, 35, 37.5）合金中，随B含量的增加，<0 3 6 0>、<0 2 8 0>和<0 3 6 1>团簇总含量明显增加，它们之间的最近邻相关性显著提高，在空间中的分布更为致密（自由体积减少），因此，形成更为稳定的中程序结构，使得合金韧性下降。根据“成分-原子结构-韧性”的内在关系，制备出具有一定韧性的超高强Co61B32.5Ta6.5块体非晶合金，其非晶形成临界直径达到2.0mm，压缩强度为5100 MPa，塑性为2.8%，断裂韧性达到7.74 MPa·m1/2。项目研究有助于更好地理解非晶合金的结构以及韧性块体非晶合金的开发，并促进它们在工程领域的应用。