非晶合金塑性行为的微观机制研究

Because of their excellent properties, Metallic glasses (MGs) is a new kind of materials which is popular to be chosen as materials in the areas of medical implant, aerospace, military industry and upscale fashion outlets. However, the brittleness severely restricted the application of MGs. The macro-plasticity of MGs must behind the complex micro-structure characteristics. Because MGs have no long-range structure order, the study of the micro-mechanism for the plastic deformation of MGs is in the face of difficulty. In this respect, we adopt molecular dynamic simulation; take the typical alloys with contrast plasticity as model; employ the self-descripting characterization method which is independent with the preset parameters; the relationship between the local microstructure and plasticity will be studied: （1）research the microstructure evolution characteristics of MGs under different loading, and how the short-range, medium-range and nano-scale characteristic structure units impact on the generation and propagation of deformation; (2) find out the relationship between icosahedra in different local order with the plastic deformation of MGs, and then find out the decisive local structures which play a key role on the plasticity of MGs. This project will reveal the physical mechanism of the relationship between microstructure characteristics and plasticity; the plasticity prediction model based on the topological cluster structure evolution characteristics will be built， which will provide theoretical guide for the related experiments.

非晶合金由于其独特的优异性能成为医用植入、航空航天、军工等高技术和高档时尚用品争相选用的新型材料。然而，塑性太弱大大限制了非晶合金的广泛应用。非晶合金的宏观塑性一定蕴藏在其复杂的微观结构中。而由于非晶微观结构上的长程无序性，使得对非晶宏观性能的微观机制研究面临极大的困难。本课题采用分子动力学模拟方法，以塑性差异较大的典型合金为模型，采用拓扑学预设参数无关的自描述表征方法，深入研究不同的局域结构特征与非晶塑性行为的相关性：（1）研究非晶合金在不同负载作用下微观结构演变特征，分析从短程、中程到纳米级的特征结构单元如何影响形变的产生和扩展；（2）分析比较处于不同局域结构特征的二十面体对塑性行为作用的差异，试图找出决定材料塑性行为的关键局域结构特征。本项目的成功实施将揭示微观结构影响非晶塑性行为的物理机制，建立基于拓扑团簇结构演化特征的塑性能力预测模型，为改善非晶合金的塑性奠定理论基础。

非晶合金由于负载受力时容易发生脆性破坏而大大限制了其广泛应用。目前的研究普遍认为，非晶合金的塑性形变与其微观结构特征密切相关。然而，人们对非晶微观结构，特别是中程有序及长程序尺度上结构认识的局限性，严重阻碍了对非晶形变机制的深刻理解。本项目采用分子动力学模拟方法，计算了非晶合金Cu64.5Zr35.5的单轴压缩过程、Ni47Co53的拉伸过程，及负载加压情况下液态Mg70Zn30合金的快速凝固过程，并基于预设参数无关的最大标准团簇(LaSC)法，采用中程五重对称序、拓扑密堆团簇(TCP)，团簇关联系数、遗传率、连接数等结构参量，结合非仿射形变量(D2)衡量系统在负载情况下原子形变量的大小，系统研究了非晶合金在拉伸或压缩过程中的微观结构演变规律，特别是不同微观结构特征与塑性形变行为之间的关联。研究发现，低-D2和低配位数(CN)的原子更倾向于相互连接，而大CN和中等-D2的原子在低-D2和高-D2原子之间起到过渡作用，使其相互连接形成纳米级大团簇。随着纳米团簇尺寸的增加，处于其中的原子的平均D2(avr-D2)值减小；同时，在同一个纳米团簇中，Z12原子的avr-D2总是最小，其次是1-Z12和其他5种LaSC。因此，原子对形变的响应与局域短程序和中程序结构特征密切相关，二十面体原子的变形行为与其中程五重对称序(MRFFS)密切相关，具有较高MRFFS的二十面体原子抵抗变形能力越强，而具有较低MRFFS的二十面体原子更容易发生形变。在拉伸过程中，单晶和多晶分别通过堆垛层错(SFs)和晶界(GBs)承载塑性形变；而非晶体通过SFs和GBs共同承载，塑性由高到低依次为非晶体、单晶和多晶体，说明SFs相比于GBs更有利于容纳塑性形变。而对Mg70Zn30合金快速凝固过程中压强对合金结构及性质影响规律的研究发现， TCP结构是Mg70Zn30非晶合金的本征特征，可合理解释非晶转变温度——压强关系曲线的演变特征，说明TCP结构与系统的非晶形成能力密切相关。