非晶合金空间结构异质性与锯齿流变关联性研究

The deformation mechanism of bulk metallic glass has been one of the hot topics among the materials, mechanics and physics areas. However, due to the complex atomic structure characteristic, the systematic theory on the correlation between microstructure on the atomic level and macro-deformation in metallic glass has not been established, which needs further research. The application of aberration-corrected transmission electron microscopy and relative electron microscopy techniques provides an effective method in solving the key scientific problems in amorphous structure and deformation mechanism of metallic glass from the atomic aspect. Applying the aberration-corrected transmission electron microscopy with in-situ tension, this project aims to study the spatial heterogeneity evolution of metallic glass during deformation; By changing the strain rates, the serrated flow behavior will be investigated; Based on the Potential energy landscape, the plastic dynamics will be combined with atomic structure evolution by using the Lyapunov equation, and finally, the correlation between spatial heterogeneity and serrated flow will be built. This research offers theoretical foundation in understanding the origin of plastic deformation, and provides great directive significance in extending the application of metallic glass.

块体非晶合金的变形机理是材料、力学和物理领域研究的热点课题之一。然而，由于复杂的原子结构特征，非晶合金原子级别的微观结构与宏观变形之间的关联性研究尚未形成系统的理论，仍需进一步的研究。球差矫正电镜及相关电子显微学技术的应用，为从原子层面解决非晶态结构和变形机理相关的关键科学问题提供了一种有效的研究方法。本项目拟利用球差矫正电镜配合原位拉伸，研究非晶合金空间结构异质性随变形的演化规律；通过改变加载速率，研究非晶合金的锯齿流变行为；基于势能形貌理论，利用数学方法（即Lyapunov方程）把塑性动力学与原子结构演化结合起来，建立非晶合金空间结构异质性与锯齿流变的关联性。项目研究为理解非晶合金塑性变形的本质及促进非晶合金的应用具有重要的理论指导意义。

本项目旨在研究非晶合金微观结构随变形的演变规律，建立非晶合金空间结构异质性与锯齿流变的关联性。在项目执行过程中，我们对如下内容展开并获得了相应的研究成果：1）对典型Cu-Zr-Al体系中非晶合金进行制备和表征，研究其非晶合金的形成能力，并通过探讨其等温加热和连续加热条件下的晶化行为对其热稳定性进行研究；对目标合金进行不同程度的变形，研究不同变形量下非晶合金的锯齿流变行为，探讨锯齿流变与剪切带的关联性。在上述研究基础上，对目标非晶合金进行元素取代，研究元素取代对其晶化行为和腐蚀性能的影响。2）以TiNi-基非晶合金为基础合金，通过调整制备工艺（熔炼电流和熔化时间），制备出不同组织结构的非晶及其复合材料，研究铝和锡元素对目标合金组织结构的影响，并对其机理进行分析；在此基础上，对非晶及其复合材料进行变形，研究非晶基复合材料的力学性能，并从组织结构的角度对变形过程中出现的双屈服现象进行解释。3）将数学建模和分析工具应用到材料科学研究中，对研究过程中的数据进行数理统计分析，为拓宽非晶合金及其他金属材料的实际工程应用积累数据。此外，结合其他金属材料的蠕变行为，探究这一变形行为与材料组织结构的关系，并思考是否可以将其应用到非晶及其复合材料领域，为研究非晶及其复合材料组织结构与变形行为之间的关系提供理论指导。依托基金支持，项目执行期间发表第一作者或通讯作者期刊论文7篇，申请授权专利1项，培养硕士研究生5名。该研究为探究非晶及其复合材料组织结构与变形之间的关系提供理论指导，为拓宽非晶合金及其他金属材料的实际工程应用积累数据。此外，项目中数理分析工具的应用对非晶合金学术研究领域的发展具有重要意义。