CuZr非晶合金塑性变形机理的纳米分辨同步辐射三维X射线成像研究

Amorphous alloys with the unique structure features and outstanding mechanical, physical and chemical properties, have attracted great attention in physics and material science. However, we still do not fully understand the microscopic nature of the amorphous alloys in disordered materials. In this present proposal, we will investigate the nano-structure evolution of Cu50Zr50 and (Cu50Zr50)95Al5 amorphous alloys by synchrotron three dimensional x-ray nano-imaging technique. In order to reveal that the nature of spatial heterogeneity on nano-structure, we will discuss their spatial heterogeneity and plasticity by three-dimensional reconstruction. In order to reveal that the plastic deformation mechanism, we will track the three dimensional structural evolutions of Cu50Zr50 amorphous alloys under tension. And we will discuss the relationship of the local structure and their plastic deformation. The structure insights of structure heterogeneity will have an important implication in understanding the properties of the amorphous alloys. It is both innovative and academically for the development of the amorphous alloys.

非晶合金是一类由不同的化学元素组成的非晶态物质，具有很多特殊的物理、化学、力学性能。由于其结构的长程无序短程有序的特性和现有实验手段的局限性，使得人们对其塑性的微观机制认识还不足，用来描述非晶合金的塑性产生的微观机理还不清晰。因此如何建立以结构特征为基础，描述非晶塑性的微观机制是当前非晶合金研究的核心问题之一。本项目选取典型的Cu50Zr50、(Cu50Zr50)95Al5非晶合金作为研究对象，利用纳米分辨同步辐射三维X射线成像技术研究其纳米结构特征，通过重建非晶合金的三维结构特征，旨在揭示非晶合金纳米结构的空间不均匀性，并在此基础上解释非晶合金材料的塑性。此外，通过研究Cu50Zr50非晶合金在原位拉伸状态中的纳米结构特征，揭示其塑性变化的微观机理。本项目有助于帮助人们深入的理解非晶合金的物理本质，为研究结构和性能的关联性提供新知识和新视角，对于非晶材料的认识有着重要的科学价值。

以Cu50Zr50非晶合金为研究对象，针对非晶合金结构不均匀性、拉伸过程中的应力应变关系、剪切模量及纳米尺寸效应，进行了理论计算研究。我们发现，在纳米尺度的胞腔中原子数和Zr原子数密度存在巨大的涨落，随着尺寸的增加，涨落在迅速减小，证实了非晶合金存在纳米尺度上的结构不均匀性，同时，发现原子密度较小或较大的区域在拉伸应变中将会发生较大的非仿射位移。针对非晶合金薄膜波色峰开展了理论计算研究，揭示了非晶合金薄膜玻色峰的结构起源、发现了玻色峰强度与特征尺寸之间的变化规律。在这项工作的基础上，针对半径从9.8 Å到54.9 Å CuZr 纳米颗粒的振动性质和尺寸依赖关系进行了研究。研究表明，由于表面快速动力和曲率效应，纳米颗粒核区的低频VDOS明显降低、原子能量更低、二十面体对称性增强，进一步说明核区的稳定性与大块非晶合金有所不同。