金属玻璃微观结构与变形的关联性
发布时间：2021-01-25 16:59
金属玻璃,又称非晶合金,它是将高温下熔化的液体金属以极快的速度冷却,使金属原子来不及结晶,得到的固态合金是长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。由于特殊的微观结构,使其具有高强度、高断裂韧性、高弹性极限和优异的耐腐蚀和软磁性能。但这种特殊的结构也导致了金属玻璃室温下拉伸塑性差、难以进行机械加工等问题,制约着其工业化大规模的生产和应用推广。本文整理了我们研究金属玻璃微观结构异质性的相关工作,探讨金属玻璃变形的演化过程和机理。分析微观结构异质性对金属玻璃变形过程中的剪切带形核、扩展和相互作用的影响,明确剪切带形成过程的结构信息,从而有效地控制剪切带软化程度,加深对金属玻璃变形过程中的原子团簇演变以及影响变形主要因素的认识,提高金属玻璃室温塑性变形能力。
【文章来源】：燕山大学学报. 2020,44(03)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
弹性模量E′/Eu和损耗模量E″/Eu随多面体体积变化率的变化
首次提出“松散区域包围密堆团簇”的异质结构模型,利用局域剪切应变“腐蚀”法给出了金属玻璃的整体结构特征,即由短程或中程有序的密堆区域被周围松散区域包围组成;基于识别每个中心原子周围的多面体体积膨胀和收缩程度,来分辨和量化金属玻璃的局域密度,建立了多面体体积变化率与动态非均匀性的定量关系,确定了自由体积与缺陷产生或湮灭之间的关系;通过快冷过程中预加压力弱化中程序实现金属玻璃结构异质性的调控,增加体系的势能和自由体积。提出了调控剪切带的新思路,为金属玻璃中形成剪切环从而引起的均匀变形提供微观结构支撑,直观给出非晶-晶体金属复合材料界面处位错和剪切单元相互作用原子结构图像,并通过压痕引入缺口新方式改变剪切带形成位置,以此达到提高强化效果并改善塑性变形能力的目的。以上探讨了金属玻璃微观结构异质性和变形之间的关系。但由于目前对金属玻璃各个方面异质性的描述仍不够完善,以及表征不同异质性的参量关联程度还没有确定建立起来,在提前预判金属玻璃变形方面支撑程度还不够。以后将结合多尺度模拟,缩小模拟与实验在时间和空间上的差距,着重明确剪切带形成过程的多重结构与能量信息,并根据这些信息反推剪切带形核点、预判剪切带扩展方向,从而有效地控制金属玻璃局域化变形。提高对金属玻璃宏观、微观力学行为的认识,揭示金属玻璃的微观变形机理、补充和完善现有的变形理论。
图1(a)显示的是局域剪切应变腐蚀方法示意图,同时图中右侧显示了局域原子位移的放大图。图1(b)是没有施加压力下的Cu64Zr36金属玻璃原子结构图像,以用来作为对比。图1(c)是金属玻璃在应变为1%的条件下根据原子不同的局域剪切应变进行着色而得到的原子图像。因为不同的原子具有不同的局域剪应变,所以整个金属玻璃的不同区域具有不同的特点。具有小局域剪切应变的原子(深蓝色)聚在一起形成1.5～2.5 nm大小的团聚区域,而具有大局域剪切应变的原子(浅蓝色)在空间上相互连接,包裹着小局域剪切应变的原子组成的团聚区域。同时可以推测出增大应力可以使原子的局部剪切应变局域化更加明显,即形成更加明显的团聚区域被空间连接的原子相隔离的现象。从整体上看这些团聚区域某种程度上在空间是均匀分布的。进一步放大图1(c)中的一部分,如图1(d)所示,可以更加清晰地看到由小局域剪切应变原子组成的团聚区域被较大局域剪切应变原子组成的结构所包围。图1(e)显示的是实验中Cu64Zr36金属玻璃微观结构的高分辨图像,图像中黑白相间的区域近一步证实了模拟中由小局域剪切应变原子组成的团聚区域被较大局域剪切应变原子组成的结构所包围的特征,由于实验表征有限,还不能给出这种黑白区域里面的具体原子微观特征,但是能给出这种黑白区域的密度高低对比。如图1(f)所示的金属玻璃中不同区域的密度分布图,其中暗的地方代表高密度区域,亮的地方代表低密度区域。实验上证实了模拟结果,即金属玻璃结构是由密集的团聚原子团簇区域和其周围包裹的松散相连区域所组成[18]。1.2 多面体体积响应法表征金属玻璃局域密度
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancing strength and plasticity by pre-introduced indent-notches in Zr36Cu64metallic glass: A molecular dynamics simulation study[J]. Shidong Feng,Lin Li,K.C.Chan,Lei Zhao,Limin Wang,Riping Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2020(08)
[2]分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J]. 张世良,戚力,高伟,冯士东,刘日平. 燕山大学学报. 2015(03)
[3]非晶态物质的本质和特性[J]. 汪卫华. 物理学进展. 2013(05)
本文编号：2999571
【文章来源】：燕山大学学报. 2020,44(03)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
弹性模量E′/Eu和损耗模量E″/Eu随多面体体积变化率
首次提出“松散区域包围密堆团簇”的异质结构模型,利用局域剪切应变“腐蚀”法给出了金属玻璃的整体结构特征,即由短程或中程有序的密堆区域被周围松散区域包围组成;基于识别每个中心原子周围的多面体体积膨胀和收缩程度,来分辨和量化金属玻璃的局域密度,建立了多面体体积变化率与动态非均匀性的定量关系,确定了自由体积与缺陷产生或湮灭之间的关系;通过快冷过程中预加压力弱化中程序实现金属玻璃结构异质性的调控,增加体系的势能和自由体积。提出了调控剪切带的新思路,为金属玻璃中形成剪切环从而引起的均匀变形提供微观结构支撑,直观给出非晶-晶体金属复合材料界面处位错和剪切单元相互作用原子结构图像,并通过压痕引入缺口新方式改变剪切带形成位置,以此达到提高强化效果并改善塑性变形能力的目的。以上探讨了金属玻璃微观结构异质性和变形之间的关系。但由于目前对金属玻璃各个方面异质性的描述仍不够完善,以及表征不同异质性的参量关联程度还没有确定建立起来,在提前预判金属玻璃变形方面支撑程度还不够。以后将结合多尺度模拟,缩小模拟与实验在时间和空间上的差距,着重明确剪切带形成过程的多重结构与能量信息,并根据这些信息反推剪切带形核点、预判剪切带扩展方向,从而有效地控制金属玻璃局域化变形。提高对金属玻璃宏观、微观力学行为的认识,揭示金属玻璃的微观变形机理、补充和完善现有的变形理论。
图1(a)显示的是局域剪切应变腐蚀方法示意图,同时图中右侧显示了局域原子位移的放大图。图1(b)是没有施加压力下的Cu64Zr36金属玻璃原子结构图像,以用来作为对比。图1(c)是金属玻璃在应变为1%的条件下根据原子不同的局域剪切应变进行着色而得到的原子图像。因为不同的原子具有不同的局域剪应变,所以整个金属玻璃的不同区域具有不同的特点。具有小局域剪切应变的原子(深蓝色)聚在一起形成1.5～2.5 nm大小的团聚区域,而具有大局域剪切应变的原子(浅蓝色)在空间上相互连接,包裹着小局域剪切应变的原子组成的团聚区域。同时可以推测出增大应力可以使原子的局部剪切应变局域化更加明显,即形成更加明显的团聚区域被空间连接的原子相隔离的现象。从整体上看这些团聚区域某种程度上在空间是均匀分布的。进一步放大图1(c)中的一部分,如图1(d)所示,可以更加清晰地看到由小局域剪切应变原子组成的团聚区域被较大局域剪切应变原子组成的结构所包围。图1(e)显示的是实验中Cu64Zr36金属玻璃微观结构的高分辨图像,图像中黑白相间的区域近一步证实了模拟中由小局域剪切应变原子组成的团聚区域被较大局域剪切应变原子组成的结构所包围的特征,由于实验表征有限,还不能给出这种黑白区域里面的具体原子微观特征,但是能给出这种黑白区域的密度高低对比。如图1(f)所示的金属玻璃中不同区域的密度分布图,其中暗的地方代表高密度区域,亮的地方代表低密度区域。实验上证实了模拟结果,即金属玻璃结构是由密集的团聚原子团簇区域和其周围包裹的松散相连区域所组成[18]。1.2 多面体体积响应法表征金属玻璃局域密度
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancing strength and plasticity by pre-introduced indent-notches in Zr36Cu64metallic glass: A molecular dynamics simulation study[J]. Shidong Feng,Lin Li,K.C.Chan,Lei Zhao,Limin Wang,Riping Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2020(08)
[2]分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J]. 张世良,戚力,高伟,冯士东,刘日平. 燕山大学学报. 2015(03)
[3]非晶态物质的本质和特性[J]. 汪卫华. 物理学进展. 2013(05)
本文编号：2999571
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/2999571.html
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