可视化研究非晶合金塑性形变基本单元的结构起源及多尺度演化机制

Clarifying the structural origin and multi-scale evolution mechanism of the fundamental unit for the plastic deformation of metallic glass is the key to revealing the plastic deformation mechanism, which will guide people to effectively use and improve its complicated macroscopic plasticity. However, due to the limitation on the methods of experiment and computer simulation, there is still lack of deep and unified understanding for the above problems. Colloidal systems were proved to be the effective ways to simulate the micro-mechanical behavior of atomic systems. Thus, in the present project, we intend to use a large and multi-component colloidal glass as the model to truthfully and accurately simulate the microstructure evolution of metallic glass in the deforming process. By using the high-speed laser confocal microscope, we capture the occurrence of fundamental unit for the plastic deformation. Determine the basic characteristics of the fundamental unit, such as its shape, average size, activation energy, etc. We will statistically analyze the relationships between the fundamental unit and the free volume, topological structure and particle vibration mode of amorphous matrix, clearing the structural origin of the fundamental unit. We will explore the interaction law among fundamental units, clarifying the multi-scale evolution mechanism of the fundamental unit evolving from microcosmic unit to macrocosmic plastic deformation. This study is expected to reveal the physical nature of the fundamental unit for plastic deformation and of great significance to realize the large-scale application and promote the development of material science of metallic glasses.

澄清非晶合金塑性形变基本单元的结构起源和多尺度演化机制问题，是揭示其塑性形变机制，进而有效指导人们使用和改善其复杂多样宏观塑性的关键。然而，由于实验和计算机模拟方法的限制，对上述问题仍然缺乏较为深入和统一的认识。胶体体系被证明是模拟原子体系微观力学行为的有效手段，本项目拟以大尺寸多元胶体玻璃为模型，真实准确地模拟非晶合金在形变过程中微观结构的演化，并利用高速激光共聚焦显微镜，捕捉塑性形变基本单元的发生;确定基本单元的形状、平均尺寸、激活能等基本特征；统计分析基本单元与非晶基体的自由体积、拓扑结构、粒子振动模式等的关系，明确基本单元的结构起源；探寻基本单元之间的相互作用规律；澄清基本单元演化成宏观塑性形变的多尺度演化机制。本项目的研究有望揭示非晶合金塑性形变基本单元的物理本质，将有助于深入理解非晶合金的宏观塑性形变行为，对于实现其大规模应用和推动非晶合金材料科学的进一步发展具有重要的意义。

澄清非晶合金塑性形变基本单元的结构起源和多尺度演化机制问题，是揭示其塑性形变机制，进而有效指导人们使用和改善其复杂多样宏观塑性的关键。然而，由于实验和计算机模拟方法的限制，对上述问题仍然缺乏较为深入和统一的认识。本项目创新性的采用大尺寸多元胶体玻璃做为模型，模拟非晶合金在形变过程中微观结构的演化，并利用高速激光共聚焦显微镜，捕捉塑性形变的基本单元，进而研究基本单元的形状、平均尺寸、激活能等基本特征。.研究发现类似二十面体的结构是非晶固体中的主要局域结构，该结构受冷却速率的影响较大，这些结构与非晶固体塑性形变单元有这密切的关系；剪切转变的涌现在很大程度上取决于当地局部区域的体胀能力，即自由体积的动态产生能力。具体来说，具有高体胀能力的粒子直接参与了随后的剪切转变事件；先发生的塑性形变单元“流动事件”对周围非晶基体的弹性场、自由体积、堆垛密度、粒子振动模式以及拓扑结构有重要的影响，先发生的“流动事件”会激活其周围新的“流动事件”； “流动事件”之间的关键纽带是自由体积的激活能力；非晶固体内部具有“类液体”和“类固体”两种结构。通过统计分析大量“流动事件”发生之前所对应的局域胶体玻璃的自由体积，拓扑结构，粒子振动模式等微观结构因素，发现“流动事件”容易在“类液体”结构优先发生，而且是体涨能力较强的“类液体”结构；在均匀塑性形变中，后发生剪切转变事件的粒子与先发生剪切转变事件的粒子空间关联区域更大，时间关联更强；在非均匀塑性形变中，后发生剪切转变事件的粒子与先发生ST的粒子空间关联相对区域较小，时间关联也相对区域较弱。.本项目的研究有望揭示非晶合金塑性形变基本单元的物理本质，将有助于深入理解非晶合金的宏观塑性形变行为，对于实现其大规模应用和推动非晶合金材料科学的进一步发展具有重要的意义。