压力调控金属玻璃形成过程中原子团簇演化及其对力学性能影响的机理研究

Metallic glasses have unique internal structure, and exhibit many excellent physical, chemical and mechanical properties, have attracted intensive research interests from both material science and condensed matter physics fields. However, many basic problems remain unsolved, such as the influence mechanism of the pressure in the glass-forming process on the structure and properties of metallic glasses. Investigation on this problem has great significance on both the theoretical study and industrial application of metallic glasses. In this proposed research, we will employ the molecular dynamics simulation, and combined with the advanced experimental technique, to systematically study the solidification process of metallic glasses under different pressure. Through investigating the structural characteristics, evolution rules, and structure heredity, and their correlation with the thermodynamic / kinetic properties of supercooled liquids, the mechanism of pressure effect on the evolution of atomic clusters will be elucidated. Furthermore, the mechanical behaviors of the formed metallic glasses will be studied, and the pressure effect on the mechanical properties will be investigated. Finally the relationship among the pressure during the glass-forming process, the evolution of atomic clusters, and the mechanical properties of metallic glasses will be established. This study will improve our understanding on the regulation mechanism of the pressure during the glass-forming process on the structure and properties of metallic glasses, and the structure heredity; moreover, it will provide theoretical guidance in scale production and optimization of the properties of bulk metallic glasses by die casting.

金属玻璃具有独特的内部结构，呈现出优异的物理、化学及力学性能，是当前材料学与凝聚态物理领域的研究热点之一。然而其中一些基础问题仍未得到明确解答，如形成过程中的压力对金属玻璃结构及性能的影响机理。该问题的解答对金属玻璃的理论研究和工业化应用均有重要意义。本项目拟采用分子动力学模拟方法，结合先进实验手段，对金属玻璃在不同压力下凝固形成的过程进行系统研究。考察原子团簇的结构特征，演变规律及遗传特性，分析其与过冷液态热力学/动力学性质的关联，阐明压力对团簇演化的调控机理；并进一步研究金属玻璃的形变行为，探讨凝固过程中的压力对力学性能的影响规律；最终建立金属玻璃形成过程中的压力、原子团簇演化，及力学性能三者之间的关联机制。项目的开展将有助于理解金属玻璃形成过程中的压力对其结构和性能的调控机理，加深对金属玻璃结构遗传性的认识，为规模化压铸制备金属玻璃及优化其性能提供理论指引。

金属玻璃形成过程中的静水压力对其结构和性能具有重要影响，其影响机制的研究对金属玻璃理论研究及工业应用均具有重要价值。本项目采用分子动力学模拟方法，结合先进实验手段，对在不同静水压力下凝固所获得的金属玻璃结构和力学性能进行了研究。结果发现，在高静水压力下形成的金属玻璃势能较高，且系统势能随温度的下降速率较低。根据势能曲线拟合得到的玻璃转变温度随静水压力升高而增大，扩散系数结果表明这与原子在高压下扩散运动能力减弱密切相关。通过多面体团簇结构分析，发现原子的平均体积随压力升高呈现降低趋势。而Cu原子的体积却出现随着静水压力升高而增加的趋势，表明体系中存在动力学以及结构不均匀性。双体分布函数分析证明了该结果由在静水压力下Cu原子周围的配位环境发生改变而引起。随后，对不同静水压力下凝固所获得的金属玻璃进行单轴拉伸模拟，发现在适当的静水压力时所获得金属玻璃塑性较好。通过分析局部剪切应变分布，表征剪切带形核与扩展过程，发现在塑性较好体系中存在多重剪切带，抑制了应变局域化的发展。同时，结构分析表明，在塑性较好体系中，过剩体积湮灭速率较低，利于应变的分散。本项目的完成建立了凝固过程中的静水压力对原子团簇结构演化的影响及其与金属玻璃力学行为之间的关联。对于深入理解金属玻璃形成过程中的压力对其结构和性能的调控机理，以及规模化压铸制备金属玻璃及优化其性能具有重要的科学意义。