非晶合金结构单元的特征及其与形变和弛豫关系的模拟研究

With the development of bulk metallic glasses (MGs), the fundamental issues in MGs have been paid more and more attention for exploring new materials. MGs are structually disordered and metastable. There are several order between macroscopic properties and atomic structures. All these make it difficult to characterize the relationship between structures and properties. Therefore, it is crucial to find a new way to inevstigate the deformation and relaxation mechanisms for better understanding the fundamental issues in MGs. In MGs relaxation and deformation are both flow behavior, which are stimulated by temperature or external stress and realized in terms of local atomic rearrangements, the so-called flow units. In relaxation or deformation in MGs, the characteristics of flow units are key to the understanding of deformation mechamisms and glass transition. In this proposal, we will perform molecular dynamics studies for the various response of the atomic structures in MGs under temperature or external stress. Then we may characterize the properties and features of flow units, investigate the excitation and evolution of the flow units as well as its relationship with properties. Based on the above research, we will try to devlop theoretical model of flow units in MGs and get deeper insight into the deformation mechanisms and glass transition.

大块非晶合金材料和物理研究的快速发展使得人们越来越关注非晶合金中的基本物理问题，以便更有效地指导新材料的探索和改善。非晶合金结构无序，缺乏明显的微观结构特征，能量亚稳，宏观性能与原子结构的跨尺度等特征，使得从理论到实验上表征和建立结构与性能的相关性极其困难。在对微观结构特征没有充分认识的情况下，寻找一条进一步研究和探索非晶合金形变和弛豫微观机理的出路，对我们深入认识和理解非晶合金中的物理问题是非常迫切的。非晶合金中的弛豫和形变都是一种流变行为，是在温度或应力的激发下具有某些共同特征的微观结构单元发生不可逆原子重组，形成基本流变单元，实现结构弛豫或形变。本项目拟采用分子动力学方法研究在外界作用的激发下，非晶合金中微观结构单元的不同响应，从而表征基本流变单元的性质和特征，研究基本流变单元的激发、演化以及与宏观性能的相关性，发展非晶合金流变单元模型，进一步认识非晶合金形变机制和玻璃转变的本质。

目前非晶合金微观结构特征仍没有充分的认识和理解。基于非晶合金材料中的结构弛豫和形变都是一种流变行为的前提下，本项目提出了非晶合金的流变单元，在温度或外应力的激发下，流变单元发生不可逆原子重组导致非晶合金发生玻璃转变或形变。基于该思想，本项目对非晶合金中基本流变单元的特征、性质进行系统的研究和表征，主要研究内容：1）采用分子动力学模拟方法，通过对CuZr非晶合金模型体系进行了多次加载-卸载过程，研究了非晶合金流变单元的结构特征及性质；2）利用局域五次对称性结构参量研究了非晶合金材料的复杂动力学、热力学以及力学性质与微观结构之间的内在联系；3）利用图论表征中程序，研究了非晶合金中程序与动力学的定量关系；4）研究了非晶合金中对关联函数的性质和特征，探索了展宽的衍射特征峰里的原子排列规律。 取得了如下重要结果：1）发现非晶合金中存在流变单元，是非晶合金的本征特征；流变单元的激活呈e指数行为，其分布是不均匀的。非晶合金中大部分是弹性基底，而流变单元是嵌在弹性基底内的。该研究证实了非晶合金流变单元的存在，明确了微观结构的核壳结构，加深了对非晶合金结构与性能关系的认识和理解；2）采用局域五次对称性结构参量，建立了合金液体的动力学行为与微观结构演化的关系，揭示了玻璃转变中合金液体粘度急剧增大的微观结构演化机制；发现合金熔体在液体-液体相变前后局域结构五次对称性发生了突变，揭示了该液体—液体相变是由局域结构五次对称性为序参量的一级相变；3）揭示了中程序的形成是动力学变慢和动力学非均匀性的结构起源，给出了二十面体中程序导致玻璃转变的微观机理，对理解玻璃转变、非晶合金材料的稳定性等具有重要意义；4）发现了相似的衍射特征峰里隐藏着不同的拓扑序信息，这些隐含的拓扑序遗传自相应的晶体结构，为探索非晶合金材料的玻璃形成机理、研发新型非晶合金材料提供了新的理论基础。