非晶合金β弛豫与局域结构的关联性研究

Due to the unique microstructure of long-range disorder and short-range order, metallic glasses have a series of special properties, which lead to broad application prospects in many high-tech fields. However, some inherent characteristics of metallic glasses, such as the difficulty of large material preparation and low ductility at room temperature, severely hinders the further development and application of metallic glasses. The essential way to solve this problem is the thorough understanding of fundamental physical issues in metallic glasses, including β-relaxation which has a significant effect on the physical, chemical and mechanical properties, but the structural origin of β-relaxation in metallic glasses is still a subject with great controversy. In this study, we choose a bunch of typical binary and ternary metallic glass systems as the objects to investigate the β-relaxation behavior, and employ the molecular dynamic method to analyze the local structure and atomic dynamic response. Through the comparison with a large number of experimental results, study the evolution of local structure and β-relaxation behavior in the model systems under different conditions, and explore the correlation between β-relaxation and local structure, which will provide theoretical guidance for the composition design and macroscopic properties tuning of metallic glasses.

非晶合金具有长程无序、短程有序的独特微观结构，展现出了一系列传统金属材料所不具备的独特性能，从而在诸多高科技领域具有广泛的应用前景。然而，非晶合金的另一些固有特点，如制备大尺寸材料困难、室温塑性低等，也严重制约着非晶合金的进一步开发和应用。解决这一问题的根本途径是更深入地认识非晶中的基础物理问题，其中β弛豫过程对非晶合金的物理、化学和力学性能等具有显著影响，然而非晶合金中β弛豫的结构起源仍是一个具有很大争议的话题。本项目将系统地研究一系列典型的二元和三元非晶合金β弛豫行为，利用基于真实合金势函数的MD数值模拟分析非晶模型体系的局域结构、原子动态响应，并通过与大量的相关实验数据进行对比和分析，研究多条件下模型体系局域结构及β弛豫行为的变化规律，探索β弛豫与局域结构的关联性，为非晶合金的成分设计与宏观性能调控提供理论指导，对促进非晶合金的更广泛应用有重要意义。

非晶合金具有长程无序、短程有序的独特微观结构，展现出了一系列传统金属材料所不具备的独特性能，从而在诸多高科技领域具有广泛的应用前景，其中难熔金属/非晶合金复合材料在军工领域应用潜力巨大。然而，非晶合金的另一些固有特点，如制备大尺寸材料困难、室温塑性低等，及非晶合金复合材料协同变形问题，也严重制约着非晶合金的进一步开发和应用。本项目系统地研究Zr-Cu/Ni、Zr-Cu/Ni-Al、Ti-Cu/Ni、Ti-Cu/Ni-Al和La-Ni/Cu-Al等典型的二元和三元非晶合金β弛豫行为。通过分子动力学、动态力学弛豫及等构型系综相结合，掌握了动态力学弛豫谱的分子动力学模拟方法，分析了不同冷却速度和压力条件下的低温弛豫行为。利用基于真实合金势函数的MD数值模拟分析非晶模型体系的局域结构、原子动态响应，并通过与大量的相关实验数据进行对比和分析，研究多条件下模型体系局域结构及β弛豫行为的变化规律，探索β弛豫与局域结构的关联性，并从微观上解释了动力学非均匀性存在的原因，采用流变单元模型很好地解释了动力学非均匀性非单调性的变化趋势。初步分析了钨单晶的纳米压痕尺寸效应，利用Nix-Gao模型计算出钨单晶无尺寸效应时的纳米硬度值。本项目进一步深化了对非晶合金的局域结构、结构起源等基础物理问题的认识，为非晶合金的成分设计与宏观性能调控提供理论指导，对促进非晶合金的更广泛应用有重要意义，也为难熔金属/非晶合金新型复合材料的研制提供一定了理论指导。