基于微观结构演变及表面效应拉压不对称性的非晶合金形变机理研究

Metallic glasses (MGs) have extensive potential applications due to their superb mechanical properties. Compared with crystalline materials, MGs exhibit distinct tension-compression asymmetry in terms of mechanical properties, making it absolutely essential to distinguish the deformation mechanism between tension and compression for controlling the mechanical properties of the MGs. Meanwhile, due to the size limit, MGs are always applied as small-size materials that the surface effect is an important factor affecting the mechanical properties of the MGs which should be a part of the study on the deformation mechanism of the MGs. By combining the investigation of the tension-compression asymmetry in the microstructure evolution of bulk metallic glasses and the surface effect of metallic glass nanowires through molecular dynamics simulations, this proposed research is aiming at disclosing the deformation mechanism of metallic glasses under tension and compression respectively and furthermore predicting the mechanical properties of the metallic glasses with some certain microstructures. This research has scientific and practical significance to uncover the deformation mechanism of the MGs and design the MGs according to the performance requirements.

非晶合金因其优异的力学性能而具有广阔的应用前景。不同于晶体材料，非晶合金受载时表现出显著的拉压不对称性，其形变机理与晶体材料有显著差别，因此，分别揭示非晶合金在受拉和受压情况下的形变机理从而对非晶合金性能进行调控具有重要意义。同时，由于做不大的限制，非晶合金往往作为小尺寸材料应用，表面对其力学性能的影响不可忽视，因此研究非晶合金的形变机理需要考虑表面效应。本项目拟利用分子动力学模拟方法，分别以块体和纳米线形态的非晶合金为研究对象，研究微观结构演变和表面效应对非晶合金拉压不对称性的影响规律，建立两者与非晶合金力学性能之间的联系，最终揭示非晶合金在拉压载荷下的形变机理，实现对具有一定结构特点的非晶合金的力学性能的预测。研究成果有助于揭示非晶合金的形变机理以及实现非晶合金的性能设计，具有重要科学意义和实用价值。

非晶合金因其优异的力学性能而具有广阔的应用前景。不同于晶体材料，非晶合金受载时表现出显著的拉压不对称性，并且由于不存在周期性原子排布结构，非晶合金表面和内部结构可能存在显著差异，表面的存在会对非晶合金的力学性能产生显著影响。因此，本项目利用分子动力学模拟方法研究非晶合金力学性能的拉压不对称性以及表面对非晶合金力学性能的影响，揭示非晶合金微观结构与力学性能之间的联系。通过模拟块体非晶合金的拉伸和压缩实验，发现块体非晶合金存在显著的拉压不对称性，压缩强度大于拉伸强度，压缩情况下，非晶合金中的主要团簇结构能承受的应力小于拉伸情况下；对非晶合金纳米颗粒进行压缩加载模拟研究发现，非晶合金形变机制受应变速率的影响规律与波在非晶合金材料体系中的传播速度有关；对非晶合金纳米线表面和内部力学性能的研究分析发现，拉伸情况下，非晶合金纳米线表面起着缺陷的作用，率先失效，导致纳米线内部的提前失效，而压缩情况下，非晶合金纳米线表面不影响纳米线内部的变形；对具有相同成分不同微观结构特点的非晶合金纳米线进行拉伸和压缩模拟实验研究发现，形成非晶合金骨架结构的团簇含量可以作为判断非晶合金形变机制的一个指标，当形成骨架结构的团簇数量不足够多时，非晶合金中有足够的自由体积可以发生均匀变形，当形成骨架结构的团簇数量足够多时，随着应变的增加，非晶合金中的骨架结构中较为脆弱的地方会遭到破坏，从而发生形变局域化，形成剪切带。研究成果揭示了非晶合金微观结构与形变机制的联系，有助于进行非晶合金的性能设计，具有重要科学意义和实用价值。