金屬玻璃力學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、金屬玻璃又稱非晶態(tài)合金，是材料家族中的新成員。金屬玻璃由于其特殊的無(wú)序態(tài)金屬鍵結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有玻璃、金屬、固體和液體特性，表現(xiàn)出非常獨(dú)特的性能。它不僅有望成為一種性能優(yōu)異的新型金屬材料，同時(shí)也是研究材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理中一些重要基本問(wèn)題的良好模型體系。金屬玻璃的力學(xué)性能尤其受到了各界人士的關(guān)注，包括超高的強(qiáng)度，超大的彈性和超強(qiáng)的耐磨性等。然而，在金屬玻璃實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中，還有許多困難有待解決，同時(shí)，一些基本的科學(xué)問(wèn)題也尚不清晰。如金屬

2、玻璃增韌的方法和有效性，剪切帶的結(jié)構(gòu)特性，金屬玻璃的小尺寸效應(yīng)，以及金屬玻璃的微觀變形單元與宏觀變形之間的關(guān)聯(lián)等。本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，系統(tǒng)研究了在金屬玻璃，主要是CuZr體系中，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法，觀察到不同的力學(xué)變形行為，并解釋各自的變形機(jī)理。得到的主要結(jié)果如下所示：
　?。?）通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法，系統(tǒng)研究了Cu64Zr36以及Cu40Zr60兩種成分中的拉伸變形行為與微觀STZ的演化之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力達(dá)到最大值

3、之后，樣品中開始出現(xiàn)一些原子，它們具有較大的局域原子應(yīng)變（或位移），可將其定義為S原子。在最大應(yīng)力之后，S原子率先在“孔隙區(qū)”附近，以及一些類液形的Voronoi構(gòu)型中產(chǎn)生。當(dāng)進(jìn)一步的變形時(shí)，一些非“孔隙區(qū)”區(qū)域，或構(gòu)型為類固形的Voronoi構(gòu)型中，也會(huì)產(chǎn)生S原子。此后，伴隨著剪切帶的開始萌生， S原子主要集中在剪切帶上產(chǎn)生?？梢詫TZ的大小定義為S原子以及其周圍最近鄰原子的總數(shù)，相互連接的原子屬于同一個(gè)STZ。計(jì)算發(fā)現(xiàn)平均STZ大

4、小與應(yīng)變的大小密切相關(guān)，在7％到12%應(yīng)變范圍內(nèi)，該值從17±3變化到106±6。以上結(jié)果部分解釋了為什么不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法會(huì)得出不一樣的STZ的大小。接下來(lái)，我們進(jìn)一步分析了隨著應(yīng)變的增加，STZ大小的分布的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，完整剪切帶的形成與大尺寸STZ的產(chǎn)生密切相關(guān)。我們的研究結(jié)果有助于進(jìn)一步推進(jìn)構(gòu)建宏觀剪切帶與微觀STZ之間關(guān)聯(lián)的研究。
　?。?）通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法，在Cu64Zr36，Cu36Zr64，以及Ni40Zr

5、60三種體系中研究了單根剪切帶的力學(xué)變形行為，發(fā)現(xiàn)它在拉伸條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線中沒(méi)有出現(xiàn)“應(yīng)力過(guò)沖”現(xiàn)象，并且經(jīng)過(guò)20%變形后宏觀樣品形狀未發(fā)生變化，表現(xiàn)出一種標(biāo)準(zhǔn)的均勻變形行為。并且，這種特殊的變形行為不受尺寸因素的制約，在更大尺寸的體系中也觀察到了相同的現(xiàn)象，暗示著這個(gè)現(xiàn)象很可能擴(kuò)展至宏觀尺度上。同時(shí)，通過(guò)對(duì)剪切帶在不同溫度下退火，可以實(shí)現(xiàn)變形模式的連續(xù)轉(zhuǎn)變。此外，通過(guò)快速冷卻的方法，同樣可以獲得“類剪切帶”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)均勻變形行為。

6、并且，利用Voronoi多面體以及“孔隙區(qū)”分析方法系統(tǒng)研究了樣品的結(jié)構(gòu)隨著不同退火溫度以及冷卻速率的變化。發(fā)現(xiàn)，“類剪切帶”結(jié)構(gòu)的樣品中，其“孔隙區(qū)”以及“類液區(qū)”具有較大的相對(duì)原子含量，這使其更加傾向于發(fā)生均勻變形。以上結(jié)論在Cu64Zr36，Cu36Zr64，以及Ni40Zr60三種體系中都成立，并得到了實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。我們的研究結(jié)果對(duì)于在實(shí)驗(yàn)中大尺寸樣品制備出具有宏觀塑性性能的金屬玻璃材料，提供了一些新的思路。
　　（3）通

7、過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法，系統(tǒng)研究了Cu20Zr80，Cu40Zr60，Cu50Zr50，Cu64Zr36以及Cu80Zr20五個(gè)成分中不同厚度金屬玻璃薄膜樣品的拉伸力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)在Cu-Zr體系中的五個(gè)成分中，都發(fā)生了隨著薄膜厚度的減小，其變形模式發(fā)生從局域化變形到非局域化變形的轉(zhuǎn)變。研究證明了這種與尺寸相關(guān)的變形模式的變化，與變形過(guò)程中的應(yīng)變能有關(guān)。當(dāng)累積的應(yīng)變能足夠大，則材料發(fā)生局域化變形，而若累積的能量不足，則發(fā)生非局域化變形。同時(shí)

8、，不同成分中，其臨界尺寸會(huì)隨著成分發(fā)生變化，并且被證明與形成單個(gè)S原子（或者說(shuō)STZ）所需要的激活能量有關(guān)。激活能越高，臨界尺寸越小。對(duì)Cu50Zr50不同厚度金屬玻璃薄膜的研究，還發(fā)現(xiàn)，厚度越小，它的彈性模量越低，強(qiáng)度越低，密度越低，泊松比越低。這種性能上的差異，是由于具有低密度的表面層（約0.4納米）的相對(duì)原子含量，在整體樣品中所占據(jù)的比例不同所致。我們的研究結(jié)果有助于推進(jìn)對(duì)尺寸導(dǎo)致的變形模式轉(zhuǎn)變的進(jìn)一步的研究。
　?。?）通

9、過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法，系統(tǒng)研究了以Cu64Zr36(A)，Cu50Zr50(B)，Cu40Zr60(C)三種單相材料為基礎(chǔ)，構(gòu)建出不同種類多層膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為。我們通過(guò)不同的組合模式，來(lái)對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)材料變形模式的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)多層膜的層數(shù)是決定變形模式轉(zhuǎn)變的重要因素，當(dāng)層數(shù)超過(guò)或等于七層時(shí)，在A相與C相的組合，以及A相與B相的組合中，都能觀察到非局域化變形模式的發(fā)生。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，多層膜的變形模式與構(gòu)成