非晶合金剪切变形微观机制探索

发布时间：2020-06-11 17:27

【摘要】：非晶合金(或称金属玻璃)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,同时也带来了常温下塑性差的缺点。晶体中的位错、孪生等促进塑性变形的结构单元,在金属玻璃中不复存在,晶体中常见的塑性变形机制在金属玻璃中也就不再适用。因而,如何理解和认识金属玻璃的变形机理,进而改善、提高其塑性变形能力,成为了材料科学近些年的研究热点之一。本文基于原子尺度的分子动力学模拟及势能曲面特征结构搜索算法,以Cu-Zr非晶体系为主要研究对象,从势能曲面演化的角度研究了非晶塑性变形基本微观过程(即剪切转变事件)的性质、微观过程随宏观变形程度的演化行为以及原子尺度团簇结构与微观过程之间的关联,取得的主要结果有:提出了剪切转变事件随宏观变形演化的理论模型,并通过原子尺度计算机模拟进行了验证。该理论模型基于对局域剪切转变事件势能曲面随宏观变形过程演化的分析,给出了激活能垒,即势能曲面局域特征,随宏观变形程度的变化关系,并且对于某一局域剪切转变事件,如果已知某宏观变形下最低能量路径(Minimum Energy Path,MEP),则可计算出其在不同宏观变形程度下的最低能量路径。更进一步,基于计算模拟结果,引入两个近似:剪切转变事件最低能量路径上切应力与反应坐标间呈线性关系;最低能量路径可用三次多项式近似。从而给出了局域剪切转变事件的激活能随宏观变形程度演化的简化解析模型。基于该简化模型,只需获取局域剪切转变事件在参考宏观变形下平衡态与过渡态下的能量与应力信息,即可预测其在不同宏观变形下的最低能量路径,进而推导其激活能、MEP极值点坐标、绝热触发点、激活体积等物理量与宏观变形之间的关系。该模型从势能曲面演化的角度定量地描述了非晶中局域剪切转变事件的微观演化过程,深化了对非晶变形机制的理解。此外,从推导过程上来看,该模型也对于认识其它激活过程在宏观变形过程中的演化也具有重要意义。结合过渡态搜索方法,将所建立模型应用于对非晶合金中剪切转变事件的预测,不仅准确预测出各剪切转变事件激发的临界宏观剪切应变即激活点,还预测出发生的空间位置以及对应的结构转变。基于理论模型和势能曲面搜索所预测的在不同变形模式下可发生的局域剪切转变事件,得到了绝热准静态剪切变形模拟的验证。此外,还从理论上阐明了剪切转变事件在不同宏观剪切变形方向下演化行为的差异主要源于其沿最低能量路径方向上切应力梯度的不同。对该模型的应用和进一步的理论分析与模拟验证表明,该方法能够定量地把非晶合金微观结构、势能曲面、非晶合金变形行为三者统一起来,架起了三者之间联系的桥梁,为进一步理解和探索非晶合金变形行为与机制提供了重要手段。剪切转变事件的演化与其发生,与非晶的微观结构密切相关。在前述研究的基础上,进一步剖析了剪切转变事件与局域结构之间的关系。结合Eshelby夹杂模型的分析发现,剪切转变事件的膨胀激活体积越大,其所对应的激活能也越大,而激活能与剪切激活体积的关系以及剪切转变区域局部原子重排过程的剪切变形量的关系则不明显,可能的原因是剪切转变事件的激活能主要由原子重排过程中体积膨胀的强弱控制。对不同类型的局域结构参数(相对势能、相对自由体积、最低频振动参与分数等)与局域热稳定性(由剪切转变最低激活能表征)的统计分析发现,其中相对势能与局域热稳定间存在更好的线性关系。不同类型的Voronoi团簇中,最低激活能越高的团簇,平均激活能也越高,平均相对势能更低,平均相对自由体积更低,平均剪切激活体积更小,平均膨胀激活体积更大,平均最低振动模式参与分数更小。其中两种Z团簇0,0,12,0和0,0,12,4分别是以Cu为中心的团簇和以Zr为中心的团簇中最稳定的,稳定性远高于其它团簇。以上所有的结构参数只反映了复杂多变的非晶结构的某一方面的特性,还比较难以准确全面地反映非晶的结构特点以及相应的力学性能特点(比如完全无法描述局域结构力学性能地各向异性),这有待于更深入地挖掘非晶的结构特点,结合局域剪切转变事件的行为特点,发展更全面、有效的结构表征方法。
【图文】：

临界尺寸,非晶合金,年份

1图 1-1 非晶合金临界尺寸随年份的变化[6]。The critical casting thickness vs the year in which the metallic glass was dis

非晶合金,断裂韧性,屈服强度,金属玻璃

图 1-2 非晶合金与其他材料的屈服强度以及断裂韧性对比。其中等高线反映的是强度以及断裂韧性计算出的塑性区半径大小[13]。Fig. 1-2 Fracture toughness versus yield strength for metallic glasses and other materialcorrespond to values for plastic-zone radius.[13]（4）良好的耐腐蚀性。由于不存在晶界，其耐腐蚀性比传统晶态材可以服役于更加恶劣的环境。如常温下常规的不锈钢在 1mol/LNaCl 溶蚀速率为 0.5-1mm/year，，但却很难在同样的条件下观察到非晶态 Fe-Cr的腐蚀现象[16]。优异的性能的吸引着人们去认识和研究非晶态合金的本质和物理规术研究的角度上来看，金属玻璃领域中有待解决的科学问题可以分为四（1）金属玻璃的形成机理，即成分和工艺如何影响玻璃转变过程；（2制，即长程无序结构如何响应外加载荷；（3）结构起源及表征，即如
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8

【参考文献】