复杂合金相原子团簇结构与力学性质的定量关联研究

The study on the relationship between atomic clusters and mechanical properties of complex metallic alloys is of great theoretical significance for design and preparation of complex metallic alloys. In the present, the study is still in the stage of qualitative correlation, the microscopic mechanism on the mechanical properties of complex metallic alloys need to be further deeply understood, and a quantitative relationship need to be established. In this project, cluster structure characteristics of complex metallic alloys in different systems, will be determined by using the “cluster-plus-glue-atom” model. On this basis, electrochemical potential and chemical hardness of complex metallic alloys will be obtained based on the free electron approximation model. By studying the relationship of clusters’ polarizability, chemical bond fracture energy and chemical hardness of complex metallic alloys, a microscopic mechanism of bulk modulus, shear modulus and dislocation kink barrier for complex metallic alloys will be revealed, and a quantitative relationship between bulk modulus, shear modulus, dislocation kink energy barrier and the cluster structure characteristic will be established, respectively. The research of this project not only has important theoretical significance for the study of the microscopic mechanism of the mechanical properties of complex metallic alloys, but also has an important significance for the design and preparation of complex metallic alloys.

复杂合金相原子团簇结构与力学性质的关联性研究对设计和制备性能优异的复杂合金相具有重要的理论指导意义。关于复杂合金相原子团簇结构与力学性质的关联性研究目前仍处于经验的定性关联阶段，有待进一步加深对复杂合金相力学性质微观机理的认识并建立团簇结构与力学性质的定量关联。本项目拟利用“团簇+连接原子”模型，确定不同体系复杂合金相对应的团簇结构特征。在此基础上，利用自由电子近似模型，获得复杂合金相团簇的电化学势和化学硬度。通过研究复杂合金相团簇的结合能、极化率和化学键断裂能量与其化学硬度的关系，揭示不同合金体系复杂合金相的体弹性模量、剪切模量和位错移动能垒的在电子层面上的微观机理，建立不同合金体系复杂合金相的团簇结构特征与其对应的体弹性模量、剪切模量和位错移动能垒的定量关联。本项目研究不仅对复杂合金相力学性质的微观机理研究有重要意义，而且对设计和制备性能优异的复杂合金相研究也具有重要的理论指导意义。

复杂合金相原子团簇结构与力学性质的关联性研究，对设计和制备性能优异的复杂合金相具有重要的理论指导意义。关于复杂合金相原子团簇结构与力学性质的关联性研究，目前仍处于经验的定性关联阶段，有待进一步加深对复杂合金相力学性质微观机理的认识，并建立团簇结构与力学性质的定量关联。本项目基于材料微观团簇结构的性质研究，开展了材料微观结构与其宏观力学性能定量关联的研究，主要研究内容包括：1）Cu-Zr金属玻璃团簇电化学势空间分布的研究；2）复杂合金Al2.95Cr0.59 和Al7.85Cr5.16的结构表征；3）金刚石位错形核的热力学和动力学条件研究；4）纳米孪晶金属和纳米孪晶共价材料的力学行为的位错理论研究；5）闪锌矿型共价材料高温硬度无经验参数模型研究；6）复杂合金α2-Ti3Al高温弹性和塑性的研究；7）低温热处理方法制备高强高导金属纤维的研究；8）材料力学性能计算软件系统开发研究。通过本项目的研究，主要取得的研究成果包括：1）发现了金属玻璃团簇电化学势空间分布存在最大均匀化规律；2）确定了复杂合金相Al2.95Cr0.59和Al7.85Cr5.16的晶体结构；3）明确了金刚石中位错形核的热力学和动力学条件；4）将材料化学键与位错动力学相结合，阐明了纳米孪晶金刚石优异力学性能的起源，并揭示了纳米孪晶金刚石的持续硬化机理和纳米孪晶铜的硬化-软化机理；5）基于位错理论，建立了闪锌矿型共价材料的高温硬度无经验参数模型；6）突破了共价材料硬度为固定值的认识，提出了共价材料硬度不仅与化学键有关，而且与晶体结构、位错密度、温度和加载速率有关的新认识；7）揭示了α2-Ti3Al温度依赖的弹性和强度性质的位错本源；8）提出并验证了低温热处理方法制备高强高导金属纤维的新思路；9）具有自主知识产权材料力学性能计算软件系统开发取得了一定的进展；10）发表学术论文33篇，获批国家发明专利3项，获批软件著作权7项，培养国家杰出青年基金项目负责人1名，培养博士毕业生2名和硕士毕业生10名，获河北省自然科学二等奖1项。