CuZr体系大块金属玻璃及其过冷液态中的结构特征、动力学性质、玻璃形成能力和力学性质的理论和实验研究

本项目将对大块非晶合金的结构、力学、动力学性质和玻璃形成能力进行研究。这已经是凝聚态物理和材料科学的热点之一。大块金属玻璃具有极高的强度、硬度、断裂韧性和耐腐蚀等优异的物理、化学和力学性能，因此具有广阔的应用前景。但是，至今人们对非晶合金的微观结构特征仍不清楚，这限制了人们对非晶合金的力学、动力学等性质的认识和理解，以及最终的工程应用。CuZr二元大块金属玻璃的发现和制备为我们研究大块非晶合金的结构及其各种性能提供了一个简单且玻璃形成能力较强的模型系统。本项目拟采用实验和理论模拟相结合。实验上对CuZr体系的玻璃形成能力和力学性质进行系统研究；理论模拟上运用分子动力学方法研究体系微观结构的统计特性，建立原子结构的统计模型；结合实验研究，深入研究和探讨非晶合金的玻璃形成能力，玻璃转变中的弛豫过程，以及形变过程中剪切带形成和演化的微观结构起源，为大尺寸非晶合金的制备和工程应用提供有益的思路。

本项目采用分子动力学模拟方法系统地研究了非晶合金的微观结构与动力学、力学性质和玻璃形成能力之间的关联。首先，我们提出了局部的五次对称度（LFFS）作为结构参量，并采用该参量描述了CuZr二元非晶合金的形变特征。我们发现该结构参数能很好地描述非晶合金塑性形变的局域化特征。这种局域化的塑性形变最初是在LFFS强度较低的区域产生。随着形变量的增加非晶合金中LFFS强度低的区域产生了大量塑性形变并且趋于饱和，这样塑性形变就会向LFFS 强度比较高的区域扩展。这些结果表明结构特征参数LFFS在控制塑性形变的产生和扩展上是一个非常关键的因素。这对从原子尺度上理解塑性形变和非晶合金形变的结构单元理论以及剪切带的产生都有重要的意义。其次，我们从动力学的角度出发，研究了过冷液体局域结构对其晶化过程的影响，发现了新的晶体核生长机制，给出了这一新的晶化机制的清晰的物理图像，解释了原有的反常的实验结果，并符合相关的理论预言。该工作得到审稿人的高度评价"This work is a significant contribution to our understanding of crystallization in metallic liquids and very significant for the development of metallic glasses with high glass forming ability." 在金属合金过冷液体的结构弛豫特性的研究中，我们找到了过冷液体动力学非均匀性所对应的明确的微观结构信息，提出了包含中程序信息的结构参数，发现该结构参量与体系的结构弛豫时间有紧密的联系，并给出了定量的数学描述。这一结果对理解玻璃转变以及玻璃态结构的物质特性有重要意义。此外，我们还研究了在不同应变速率下的原子结构演化并与不同温度下的结构特征做了对比。我们发现温度导致体系从玻璃态转变为液态，但是应变则不然。在形变过程中体系仍然保持玻璃态的特征。温度只是导致了体系结构发生各向同性的变化，而应力则使得体系结构发生各向异性的变化。因此，温度和应力在体系结构演化上扮演着非常不同的角色。我们的结果与目前的中子散射实验的结果一致。这些研究结果为深入认识和理解非晶合金的玻璃形成能力，玻璃转变中的本质，以及形变的微观结构起源等提供了有益的理论思路。