發(fā)布時間：2020-06-11 17:27

【摘要】：非晶合金(或稱金屬玻璃)長程無序短程有序的結(jié)構(gòu)特點賦予了其高斷裂強度、高彈性極限、耐腐蝕等優(yōu)良性能,同時也帶來了常溫下塑性差的缺點。晶體中的位錯、孿生等促進塑性變形的結(jié)構(gòu)單元,在金屬玻璃中不復(fù)存在,晶體中常見的塑性變形機制在金屬玻璃中也就不再適用。因而,如何理解和認(rèn)識金屬玻璃的變形機理,進而改善、提高其塑性變形能力,成為了材料科學(xué)近些年的研究熱點之一。本文基于原子尺度的分子動力學(xué)模擬及勢能曲面特征結(jié)構(gòu)搜索算法,以Cu-Zr非晶體系為主要研究對象,從勢能曲面演化的角度研究了非晶塑性變形基本微觀過程(即剪切轉(zhuǎn)變事件)的性質(zhì)、微觀過程隨宏觀變形程度的演化行為以及原子尺度團簇結(jié)構(gòu)與微觀過程之間的關(guān)聯(lián),取得的主要結(jié)果有:提出了剪切轉(zhuǎn)變事件隨宏觀變形演化的理論模型,并通過原子尺度計算機模擬進行了驗證。該理論模型基于對局域剪切轉(zhuǎn)變事件勢能曲面隨宏觀變形過程演化的分析,給出了激活能壘,即勢能曲面局域特征,隨宏觀變形程度的變化關(guān)系,并且對于某一局域剪切轉(zhuǎn)變事件,如果已知某宏觀變形下最低能量路徑(Minimum Energy Path,MEP),則可計算出其在不同宏觀變形程度下的最低能量路徑。更進一步,基于計算模擬結(jié)果,引入兩個近似:剪切轉(zhuǎn)變事件最低能量路徑上切應(yīng)力與反應(yīng)坐標(biāo)間呈線性關(guān)系;最低能量路徑可用三次多項式近似。從而給出了局域剪切轉(zhuǎn)變事件的激活能隨宏觀變形程度演化的簡化解析模型�；谠摵喕Ｐ�,只需獲取局域剪切轉(zhuǎn)變事件在參考宏觀變形下平衡態(tài)與過渡態(tài)下的能量與應(yīng)力信息,即可預(yù)測其在不同宏觀變形下的最低能量路徑,進而推導(dǎo)其激活能、MEP極值點坐標(biāo)、絕熱觸發(fā)點、激活體積等物理量與宏觀變形之間的關(guān)系。該模型從勢能曲面演化的角度定量地描述了非晶中局域剪切轉(zhuǎn)變事件的微觀演化過程,深化了對非晶變形機制的理解。此外,從推導(dǎo)過程上來看,該模型也對于認(rèn)識其它激活過程在宏觀變形過程中的演化也具有重要意義。結(jié)合過渡態(tài)搜索方法,將所建立模型應(yīng)用于對非晶合金中剪切轉(zhuǎn)變事件的預(yù)測,不僅準(zhǔn)確預(yù)測出各剪切轉(zhuǎn)變事件激發(fā)的臨界宏觀剪切應(yīng)變即激活點,還預(yù)測出發(fā)生的空間位置以及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變�；诶碚撃Ｐ秃蛣菽芮嫠阉魉A(yù)測的在不同變形模式下可發(fā)生的局域剪切轉(zhuǎn)變事件,得到了絕熱準(zhǔn)靜態(tài)剪切變形模擬的驗證。此外,還從理論上闡明了剪切轉(zhuǎn)變事件在不同宏觀剪切變形方向下演化行為的差異主要源于其沿最低能量路徑方向上切應(yīng)力梯度的不同。對該模型的應(yīng)用和進一步的理論分析與模擬驗證表明,該方法能夠定量地把非晶合金微觀結(jié)構(gòu)、勢能曲面、非晶合金變形行為三者統(tǒng)一起來,架起了三者之間聯(lián)系的橋梁,為進一步理解和探索非晶合金變形行為與機制提供了重要手段。剪切轉(zhuǎn)變事件的演化與其發(fā)生,與非晶的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在前述研究的基礎(chǔ)上,進一步剖析了剪切轉(zhuǎn)變事件與局域結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)合Eshelby夾雜模型的分析發(fā)現(xiàn),剪切轉(zhuǎn)變事件的膨脹激活體積越大,其所對應(yīng)的激活能也越大,而激活能與剪切激活體積的關(guān)系以及剪切轉(zhuǎn)變區(qū)域局部原子重排過程的剪切變形量的關(guān)系則不明顯,可能的原因是剪切轉(zhuǎn)變事件的激活能主要由原子重排過程中體積膨脹的強弱控制。對不同類型的局域結(jié)構(gòu)參數(shù)(相對勢能、相對自由體積、最低頻振動參與分?jǐn)?shù)等)與局域熱穩(wěn)定性(由剪切轉(zhuǎn)變最低激活能表征)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),其中相對勢能與局域熱穩(wěn)定間存在更好的線性關(guān)系。不同類型的Voronoi團簇中,最低激活能越高的團簇,平均激活能也越高,平均相對勢能更低,平均相對自由體積更低,平均剪切激活體積更小,平均膨脹激活體積更大,平均最低振動模式參與分?jǐn)?shù)更小。其中兩種Z團簇0,0,12,0和0,0,12,4分別是以Cu為中心的團簇和以Zr為中心的團簇中最穩(wěn)定的,穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于其它團簇。以上所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)只反映了復(fù)雜多變的非晶結(jié)構(gòu)的某一方面的特性,還比較難以準(zhǔn)確全面地反映非晶的結(jié)構(gòu)特點以及相應(yīng)的力學(xué)性能特點(比如完全無法描述局域結(jié)構(gòu)力學(xué)性能地各向異性),這有待于更深入地挖掘非晶的結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合局域剪切轉(zhuǎn)變事件的行為特點,發(fā)展更全面、有效的結(jié)構(gòu)表征方法。
【圖文】：

1圖 1-1 非晶合金臨界尺寸隨年份的變化[6]。The critical casting thickness vs the year in which the metallic glass was dis

圖 1-2 非晶合金與其他材料的屈服強度以及斷裂韌性對比。其中等高線反映的是強度以及斷裂韌性計算出的塑性區(qū)半徑大小[13]。Fig. 1-2 Fracture toughness versus yield strength for metallic glasses and other materialcorrespond to values for plastic-zone radius.[13]（4）良好的耐腐蝕性。由于不存在晶界，其耐腐蝕性比傳統(tǒng)晶態(tài)材可以服役于更加惡劣的環(huán)境。如常溫下常規(guī)的不銹鋼在 1mol/LNaCl 溶蝕速率為 0.5-1mm/year，，但卻很難在同樣的條件下觀察到非晶態(tài) Fe-Cr的腐蝕現(xiàn)象[16]。優(yōu)異的性能的吸引著人們?nèi)フJ(rèn)識和研究非晶態(tài)合金的本質(zhì)和物理規(guī)術(shù)研究的角度上來看，金屬玻璃領(lǐng)域中有待解決的科學(xué)問題可以分為四（1）金屬玻璃的形成機理，即成分和工藝如何影響玻璃轉(zhuǎn)變過程；（2制，即長程無序結(jié)構(gòu)如何響應(yīng)外加載荷；（3）結(jié)構(gòu)起源及表征，即如
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.8

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 汪衛(wèi)華;;非晶態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和特性[J];物理學(xué)進展;2013年05期

2 汪衛(wèi)華;;金屬玻璃研究簡史[J];物理;2011年11期

本文編號：2708223