金属玻璃的中程有序及其与力学性能关系的研究

随着对金属玻璃材料研究的不断深入，金属玻璃在中程范围内的团簇结构及其与力学性能的关联性倍受关注。中程范围内团簇结构的差异可能直接关系到金属玻璃材料的韧脆转变，切变转变区的形成和演变，以及最终剪切带的形成等。近期我们在金属玻璃原位拉伸实验时发现，基于同步辐射的X射线衍射技术能够很好的表征金属玻璃材料的力学行为。并且随着外加应力的增加，在中程范围内出现局域应变的分布不均匀。这种局域应变的不均匀性基本和该范围内自由体积的分布相对应。本项目将进一步借助先进的同步辐射技术、高分辨技术，结合反蒙特卡罗（RMC）拟合和Voronoi分形方法研究不同金属玻璃体系在中程范围内的结构差异，探索大块金属玻璃韧脆转变在原子堆垛层面的结构特征变化，尝试建立团簇特征参数与金属玻璃材料塑性之间的内在关系。本项目研究将进一步加深人们对金属玻璃材料原子结构，韧脆转变机理的认识，推进新型大塑性金属玻璃材料的研制。

本项目采用同步辐射技术结合分子动力学MD 以及reverse Monte Carlo(RMC)研究了CuZr基金属玻璃的原子结构，开发出Zr46Cu30.14Ag8.36Al8Be7.5大块金属玻璃，铜模铸造尺寸达到73毫米。采用原位高能XRD衍射研究了Cu46Zr46Al8大块金属玻璃在加热拉伸和Zr46.5Cu45Al7Ti1.5金属玻璃在弯曲过程中，原子结构的演变。结果表明塑性变形导致了自由体积以及纳米孔洞的产生。建立团簇有序参数（G6），用于描述在中程序范围内，金属玻璃中团簇在应力作用下取向排列的有序程度。发现金属玻璃的塑性变形可以看成是通过团簇的随机运动来实现的。金属玻璃样品在弯曲时表现出拉压不对称性，主要来源于不同原子对对外加应力响应的不一致。在NiNb非晶薄膜样品中观察到尺寸效应，在50纳米厚的小尺寸样品中观察到弹性极限达到6.6%。采用1024个原子的超大晶胞运用ab initio密度泛函模拟，发现2%以后的弹性应变，主要表现为粘弹性，可以归功于变形时产生的亚原子尺度空隙的增多。在La基金属玻璃中观察到明显的β结构弛豫，而且β结构弛豫与低于Tg温度的退火密切相关。随着退火时间的延长，低于Tg的放热事件逐渐消失，β结构弛豫并不消失，而是变得更加独立于α结构弛豫。对不同时间退火的样品进行纳米压痕实验，发现剪切转变区的大小随退火时间的延长而增大，显示出塑性增强的趋势。