块体金属玻璃在微观尺度下弹性变形及失效机制研究

With further research on bulk metallic glass (BMG), it has been discovered that the intrinsic brittleness of glass structure, which cause it almost impossible to endure plastic deformation, become bottlenecks in engineering applications. Only a key breakthrough of scientific issues between glassy structure and deformation mechanism, the development of new materials in BMG can be driven in engineering applications. Understanding the structure of the amorphous phase with the evolution of strain is an important scientific problem to solve the origin of plasticity and strength of BMG. In this work, high-energy X -ray synchrotron radiation source at a constant or changeable temperature conditions will be utilized to observe the structure evolution of metallic glasses; while digital scattering correlation method (DSCM) will be adopted to obtain an in-situ measurement of elastic strain in the elastic deformation field distribution and size. This project include following 2 subjects: (1) understanding the evolution rule of short- and medium-range ordered domains from elastic deformation to the yield point over a wide temperature range (between 98K to 720K); (2) exploring the formation mechanism of power transmission chains, of its elaborate plastic flow during the transfer process of strain and stress, as well as the deformation and failure mechanisms. On this basis, the establishment of the deformation constitutive model of metallic glasses under atomic scale will come to a target.

随着对大块金属玻璃研究的逐渐深入，人们发现玻璃结构的本征脆性所导致的塑性变形能力的缺失成为金属玻璃工程化应用的瓶颈问题，只有突破与玻璃态结构、形变机理相关的关键科学问题，与金属玻璃相关的新材料研究开发才能够在强大应用背景的推动下得到持续的发展。了解非晶相结构随应变的演化规律，是理解大块金属玻璃塑性和强度起源所急需解决的科学问题。本课题将采用高能X射线同步辐射光源在恒定或变化温度情况下对金属玻璃进行原位观察，同时利用数字散斑相关方法原位测量弹性应变场在弹性变形中的分布及大小。研究内容包括：（1）在宽温度范围内（98K至720K之间）短程序畴和中程有序畴随弹性变形至屈服点的演化规律；（2）探讨力链传递的形成机制，并利用其阐述塑性流变过程中的应变和应力的传递过程，以及变形及失效机制。以此为基础，在原子尺度上建立金属玻璃的变形本构模型。

随着对大块金属玻璃研究的逐渐深入，人们发现玻璃结构的本征脆性所导致的塑性变形能力的缺失成为金属玻璃工程化应用的瓶颈问题，只有突破与玻璃态结构、形变机理相关的关键科学问题，与金属玻璃相关的新材料研究开发才能够在强大应用背景的推动下得到持续的发展。了解非晶相结构随应变的演化规律，是理解大块金属玻璃塑性和强度起源所急需解决的科学问题。主要研究了块体金属玻璃微观尺度下弹性行为、塑性变形及失效机制，探索结构和力学性能的关联性，基于微观结构和力学相关的基础理论，初步建立了一个描述金属玻璃变形行为和失效机制的方法，并为探索提高金属玻璃的塑性变形能力和可靠性提供理论基础。一方面研究了大块金属玻璃（BMG）变形过程，结合第一性原理，研究了常见玻璃形成成分中典型的B2二元金属间化合物的物理性能以及在不同压强下结构的变化，这些研究为深入理解玻璃形成能力和设计BMGs提供指导；并利用三维重构技术对韧性Zr基BMG剪切带的断面显微观察和形态学进行了研究。结果表明。依据理论分析、三维重构、剪切带的轮廓分析和断面的显微观察，能够观察到该合金具有脉络状图案，这表明其属于典型的剪切断裂模型。由于在变形过程中多剪切带的形成和相互作用避免了灾难性失效。另一方面通过BMG屈服强度以下一定时间的机械退火和玻璃转化温度以下不同时间的退火两种途径，研究了大块金属玻璃的能量贮存方式和弛豫动力学机制，并通过结晶动力学探讨了BMGs结晶激活能。我们报道的这些结果可能对于深入理解BMG的塑性变形和流变机制具有一些指导意义。