纳米团簇的连通性对TiAl金属玻璃力学性能的影响机制

The macro properties of metallic glasses are determined by the atomic clusters that interact with each other and dynamic vary. One of the hot topics is to investigate the relationship between the mechanic properties and the structure and form of nanostructures. It is necessary to develop new concepts, methods and approaches to describe such dynamic and complex structures at different scales. Nanocluster connectivity is the network relationship among basic clusters that connected each other to form a nanocluster, which broke through the traditional ideas and methods in studying the microstructural characteristics. Our previous study demonstrates that the nanocluster connectivity is a useful technology. We found that the nanoclusters composed of icosahedrons can be well described by the connectivity, which has important effect on mechanic property of TiAl metal glasses. In this project, based on the nanocluster connectivity, we will study the formation and evolution of nanostructures, and plastic deformation process of metallic glasses by molecular dynamics simulation. We will design, implement, and optimize the algorithms associated with the nanocluster connectivity. Our focus is to explore the effect of the connectivity on mechanic property of TiAl metal glasses. This project will provide a new path to study the mechanic property of metal glasses.

金属玻璃的宏观性能由彼此间相互作用和动态变化的团簇共同决定，因此研究金属玻璃的力学性能与纳米团簇关系成为该领域研究热点之一。纳米团簇是由各类基本原子团构成的复杂体系，要准确描述这种动态、跨尺度的结构需要新的概念、思路和方法。纳米团簇连通性是描述纳米团簇中各基本原子团相连接的网络关系，用它来研究金属玻璃微观结构特征，突破了传统微观结构研究的思路和方法。在前期研究中，已证实连通性可以很好地描述由二十面体基本原子团相互连接构成的纳米团簇，并发现连通性与金属玻璃的力学性能存在重要联系。本课题拟从纳米团簇连通性这一研究视角，采用分子动力学模拟方法对TiAl合金中纳米团簇的形成和演变过程、包含不同纳米团簇金属玻璃的拉伸过程进行模拟，设计并实现由各类基本原子团相互连接而构成的纳米团簇连通性算法，重点研究纳米团簇连通性对金属玻璃力学性能的影响机制。本课题为研究金属玻璃的力学性能提供新的思路。

纳米团簇的连通性及其对金属玻璃力学性能的影响机制是材料领域非常重要的科学问题之一。然而实验上对微观结构的分析和表征手段非常有限。本项目从理论计算的角度完成了TiAl金属玻璃转变过程中纳米团簇的形成和演变规律；金属玻璃中纳米团簇的连通性算法和功能验证；纳米团簇的连通性对TiAl金属玻璃力学性能的影响机制三方面的研究工作。建立了TiAl合金中纳米团簇结构的高效查找策略，设计了有效的金属玻璃中纳米团簇的连通性算法，并成功揭示连通性对TiAl金属玻璃力学性能的影响机制。除此之外，项目组还拓展了部分相关研究，成功建立了金属玻璃中拓扑密堆（TCP）纳米团簇的连通性算法，对Ti3Al合金中五重孪晶和层片状结构进行了研究，揭示了五重孪晶对TiAl合金力学性能的影响机制，研究了不同拉伸方向对层片状Ti3Al合金的影响，获得了较好的研究结果。通过项目的研究，在国内外重要学术期刊上一共发表了和本项目相关的论文21篇，全部为SCI收录论文。在项目执行期间中，大幅提升了参与人员的研究水平，培养了10名研究生，人才培养效果显著。项目的成功实施，对了解金属玻璃的力学性能，深入理解其微观结构特征的变化，设计高性能合金材料提供了参考。