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金属玻璃力学行为的分子动力学模拟研究

钟诚  
【摘要】:金属玻璃又称非晶态合金,是材料家族中的新成员。金属玻璃由于其特殊的无序态金属键结构,同时具有玻璃、金属、固体和液体特性,表现出非常独特的性能。它不仅有望成为一种性能优异的新型金属材料,同时也是研究材料科学与凝聚态物理中一些重要基本问题的良好模型体系。金属玻璃的力学性能尤其受到了各界人士的关注,包括超高的强度,超大的弹性和超强的耐磨性等。然而,在金属玻璃实现工业化应用过程中,还有许多困难有待解决,同时,一些基本的科学问题也尚不清晰。如金属玻璃增韧的方法和有效性,剪切带的结构特性,金属玻璃的小尺寸效应,以及金属玻璃的微观变形单元与宏观变形之间的关联等。本文通过分子动力学模拟方法,系统研究了在金属玻璃,主要是CuZr体系中,通过结构调控的方法,观察到不同的力学变形行为,并解释各自的变形机理。得到的主要结果如下所示:(1)通过分子动力学方法,系统研究了Cu64Zr36以及Cu40Zr60两种成分中的拉伸变形行为与微观STZ的演化之间的关系。研究发现在应力达到最大值之后,样品中开始出现一些原子,它们具有较大的局域原子应变(或位移),可将其定义为S原子。在最大应力之后,S原子率先在“孔隙区”附近,以及一些类液形的Voronoi构型中产生。当进一步的变形时,一些非“孔隙区”区域,或构型为类固形的Voronoi构型中,也会产生S原子。此后,伴随着剪切带的开始萌生,S原子主要集中在剪切带上产生。可以将STZ的大小定义为S原子以及其周围最近邻原子的总数,相互连接的原子属于同一个STZ。计算发现平均STZ大小与应变的大小密切相关,在7%到12%应变范围内,该值从17±3变化到106±6。以上结果部分解释了为什么不同的实验测试方法会得出不一样的STZ的大小。接下来,我们进一步分析了随着应变的增加,STZ大小的分布的变化情况。研究发现,完整剪切带的形成与大尺寸STZ的产生密切相关。我们的研究结果有助于进一步推进构建宏观剪切带与微观STZ之间关联的研究。(2)通过分子动力学方法,在Cu64Zr36,Cu36Zr64,以及Ni40Zr60三种体系中研究了单根剪切带的力学变形行为,发现它在拉伸条件下应力应变曲线中没有出现“应力过冲”现象,并且经过20%变形后宏观样品形状未发生变化,表现出一种标准的均匀变形行为。并且,这种特殊的变形行为不受尺寸因素的制约,在更大尺寸的体系中也观察到了相同的现象,暗示着这个现象很可能扩展至宏观尺度上。同时,通过对剪切带在不同温度下退火,可以实现变形模式的连续转变。此外,通过快速冷却的方法,同样可以获得“类剪切带”的结构,实现均匀变形行为。并且,利用Voronoi多面体以及“孔隙区”分析方法系统研究了样品的结构随着不同退火温度以及冷却速率的变化。发现,“类剪切带”结构的样品中,其“孔隙区”以及“类液区”具有较大的相对原子含量,这使其更加倾向于发生均匀变形。以上结论在Cu64Zr36,Cu36Zr64,以及Ni40Zr60三种体系中都成立,并得到了实验上的验证。我们的研究结果对于在实验中大尺寸样品制备出具有宏观塑性性能的金属玻璃材料,提供了一些新的思路。(3)通过分子动力学方法,系统研究了Cu20Zr80,Cu40Zr60,Cu50Zr50,Cu64Zr36以及Cu80Zr20五个成分中不同厚度金属玻璃薄膜样品的拉伸力学行为。研究发现在Cu-Zr体系中的五个成分中,都发生了随着薄膜厚度的减小,其变形模式发生从局域化变形到非局域化变形的转变。研究证明了这种与尺寸相关的变形模式的变化,与变形过程中的应变能有关。当累积的应变能足够大,则材料发生局域化变形,而若累积的能量不足,则发生非局域化变形。同时,不同成分中,其临界尺寸会随着成分发生变化,并且被证明与形成单个S原子(或者说STZ)所需要的激活能量有关。激活能越高,临界尺寸越小。对CusoZrso不同厚度金属玻璃薄膜的研究,还发现,厚度越小,它的弹性模量越低,强度越低,密度越低,泊松比越低。这种性能上的差异,是由于具有低密度的表面层(约0.4纳米)的相对原子含量,在整体样品中所占据的比例不同所致。我们的研究结果有助于推进对尺寸导致的变形模式转变的进一步的研究。(4)通过分子动力学方法,系统研究了以Cu64Zr36(A), CusoZrso(B), Cu4oZr6o(C)三种单相材料为基础,构建出不同种类多层膜结构复合材料的拉伸力学行为。我们通过不同的组合模式,来对材料的强度进行调控,并以此实现对材料变形模式的调控。研究发现多层膜的层数是决定变形模式转变的重要因素,当层数超过或等于七层时,在A相与C相的组合,以及A相与B相的组合中,都能观察到非局域化变形模式的发生。进一步的分析发现,多层膜的变形模式与构成它的单元(即单层膜)的变形模式有所关联,但并不能由其决定。此外,多层膜的变形模式可以通过能量判据和不均匀程度分析来定性地解释。我们的研究结果有助于推进在纯非晶态结构中增强塑性的进一步的探索。


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