非晶合金的剪切变形与断裂行为及其影响因素研究

Metallic glasses (MGs) possess many attractive properties owing to their unique atomic structure, and hence have great potentials for applications. However, it is difficult to quantitatively characterize and describe the atomic structure of MGs. Moreover, the mechanical behaviors of MGs, which are distinct from those of traditional crystalline materials, are quite sensitive to multiple intrinsic and extrinsic factors. Therefore, it is significant and challenging to clarify the deformation and fracture behaviors and mechanisms of MGs. In this project, the mechanical behaviors of MGs under different stress conditions will be investigated by integrating experimental study, theoretical analysis and simulation. The influences of various factors, such as elastic constants and stress conditions, will be evaluated systematically. The energy changes during deformation and fracture processes will be analyzed to establish quantitative relations between the mechanical behaviors and influencing factors. The atomic structure will also be characterized using molecular dynamics simulation and correlated to the mechanical behaviors. This project is expected to help clarify the shear deformation and fracture behaviors and mechanisms of MGs, promote their applications and ensure the safe utilization, and aid in developing deformation and fracture theories of high-strength materials.

非晶合金因其独特的原子排列结构而具有多种优异性能，从而在诸多领域显示出广泛的应用前景。然而，非晶合金的原子排列结构目前还很难通过实验加以清晰定量的表征与描述，同时非晶合金的变形与断裂行为明显不同于传统晶态材料，并且会受到内在与外在多重因素的影响。因此，阐明非晶合金的变形与断裂行为及相关机理具有重要的理论与实际意义，同时充满创新性与挑战性。本项目拟采用实验、理论与模拟相结合的方法，考察不同非晶合金在不同应力条件下的力学行为，揭示内在与外在多重因素的影响；从热力学角度分析变形与断裂过程涉及的能量变化，从理论上建立力学行为与各影响因素间的系统定量关系；通过分子动力学模拟揭示原子结构与力学行为之间的关系，阐明变形与断裂的原子结构基础。本项目有望加深人们对于非晶合金以及其他非晶态材料的变形与断裂行为及相关机理的认识，促进其实际应用并保证安全服役，同时为发展与完善高强度材料的变形与断裂理论提供参考。

由于具有复杂而独特的原子排列结构，非晶合金往往表现出显著不同于传统晶态合金材料的力学性能，特别是强度、变形与断裂行为,并且其力学性能往往会受到应力条件、温度等不同因素的影响，这主要是由于非晶合金中不存在位错、晶界以及其他晶体缺陷，而其室温塑性变形是主要通过高度局域化的剪切带实现的。同时，非晶合金在循环加载条件下的疲劳力学性能也与晶态合金存在显著差异，其微观变形与损伤演化过程以及相关机制尚不明确。在青年基金支持下，本项目发展并完善了非晶合金的弹性理论，提出了非晶合金及其他高强度材料的统一能量失效准则；澄清了非晶合金在压缩条件下的剪切带扩展与开裂过程、微观机制和损伤演化规律，揭示了低温的影响与作用机理；阐明了非晶合金在压-压循环载荷条件下的剪切变形与软化行为，揭示了剪切带扩展、开裂与疲劳损伤演化机制；发现了非晶合金在不同应力水平条件下的疲劳损伤与断裂机制转变规律，阐明了应力水平与缺口的影响和作用机理。通过本项目研究，加深了对于非晶合金在静载与循环载荷条件下的剪切带萌生、扩展与开裂的微观过程和机制的理解，澄清了温度、应力水平、缺口等不同因素对非晶合金静态与疲劳力学性能的影响与作用机理，为促进非晶合金作为高性能结构材料的应用并保证其安全服役提供了理论指导，同时也有助于完善高强度材料的变形与断裂理论，加深对于微观剪切塑性变形与脆性开裂这两种基本微观机制相互竞争关系的认识，特别是对于以剪切带为媒介的材料基本变形损伤过程、规律与机理的理解。