非晶合金原子结构与变形行为本征关系的研究

Unlike crystalline metals and alloys, metallic glasses lack microscopic structure features and their physical and mechanical properties are usually determined by the local atomic structure. More recently, considerable progress has been made in the experimental characterization and theoretical modeling of the short-range atomic structure of metallic glasses. However, the structural evolution from short-range order (SRO) to long-range disorder (LRD) as well as the atomic structure of metallic glasses beyond short- and medium-range order is still poorly unknown, leading to that the correlation between atomic structure and mechanical properties of metallic glasses remains to be one of the most challenged questions in metallic glass research. In the proposed research, multi-scale experimental approaches will be employed to investigate the micromechanisms of plastic deformation of metallic glasses. A scanning coherent angstrom electron diffraction technique will be developed to characterize the long-range disordered atomic structure of metallic glasses. In order to understand the structural origin of shear transformation zones (STZs, i.e. deformation unit), the size and morphology of STZs in various metallic glassed will be characterized by measuring the inhomogeneity of viscoelasticity by dynamic force microscopy. The nucleation and propagation kinetics of microscopic shear bands will be investigated by using nano-indentation in situ straining transmission electron microscopy. On the basis of these multiscale experiments, hierarchical relations between atomic structure with STZs and STZs with shear bands will be estibalished to elucidate the intrinsic correlation between atomic structure and mechanical properties of metallic glasses, which will be vitally important for designing and optimizing metallic glasses with improved mechanical properties.

不同于传统的金属材料，非晶合金缺少晶界、位错等微观层次的结构特征。其本征性能一般直接由原子尺度的结构及物理化学特性所决定。尽管近年来非晶合金短程原子结构的研究已取得了显著的进展，非晶合金变形行为和原子结构之间的相关性仍然是非晶领域最具挑战性的前沿问题之一。本项目围绕非晶合金原子结构特征和力学行为关系这个核心科学问题，通过跨尺度的实验方法研究非晶合金形变形微观机制及其与原子结构的相关性。拟采用埃尺度相干扫描电子衍射方法来表征非晶合金从短程有序到长程无序的结构演化；用动态原子力显微镜测定不同温度下非晶合金的粘弹性来表征流变单元，探讨流变单元与非晶局部原子结构的相关性；通过纳米压痕、原位应变透射电镜方法测量剪切带形核扩展动力学，从而建立原子结构、流变单元及与微观剪切带之间多层次的本征关系，确立基于实验原子结构的跨尺度的非晶形变微观机制，为设计、优化非晶材料的力学性能提供关键的指导作用。

不同于传统的金属材料，非晶合金缺少晶界、位错等微观层次的结构特征。其本征性能一般直接由原子尺度的结构及物理化学特性所决定。尽管近年来非晶合金短程原子结构的研究已取得了显著的进展，非晶合金变形行为和原子结构之间的相关性仍然是非晶领域最具挑战性的前沿问题之一。本项目围绕非晶合金原子结构特征和力学行为关系这个核心科学问题，通过跨尺度的实验方法研究非晶合金形变形微观机制及其与原子结构的相关性。通过使用埃尺度相干扫描电子衍射实验建立了不同非晶合金短程、中程及长程原子结构模型；用同步辐射X射线衍射及示差扫描量热法对非晶合金的二级弛豫及其激活能进行了实验表征，发现了非晶局部原子在二级弛豫过程中的原子重排，揭示了非晶合金二级弛豫的结构起源；用动态原子力显微镜、超高分辨透射电镜及示差扫描量热法等尖端表征手段，系统分析了金属玻璃中结构弛豫动力学与空间结构异质性的内禀相关性，进一步为二级弛豫的结构起源提供了直接的实验证据，通过比较两者的特征弛豫时间与激活能揭示了空间结构异质性是金属玻璃β弛豫的结构起源；通过埃尺度相干扫描电子衍射实验表征了非晶一氧化硅材料局部原子结构，发现了一氧化硅结构歧化以及非晶材料共有的结构异质性；结合埃尺度相干扫描电子衍射及纳米压痕实验表征了碳化硼形变过程产生的非晶剪切带，揭示了二十面体解体是非晶剪切带形成的根本原因；同时使用非晶合金材料制备了三维纳米多空金属、高熵合金等新型功能与结构材料，探讨了非晶合金在能源及环境领域的潜在应用。本项目基于原子结构的跨尺度实验研究了非晶结构及弛豫的起源，探讨了形变微观机制，为设计、优化非晶材料的力学性能提供了关键的指导作用，同时为非晶材料的应用前景提供了理论依据。