塊體非晶合金的形成、結(jié)構(gòu)與流變性能研究.pdf

1、塊體非晶合金（BMG）因具有獨(dú)特而優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能引起了人們極大的關(guān)注。BMG不僅在國(guó)防、航空航天、機(jī)械和電子電力等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)它也是研究非晶材料的結(jié)構(gòu)、玻璃轉(zhuǎn)變和變形機(jī)理等基本科學(xué)問(wèn)題的理想研究對(duì)象。目前人們已成功開(kāi)發(fā)了眾多的非晶合金系，有的已在工程中得到了應(yīng)用。然而較低的玻璃形成能力（GFA）和室溫塑性仍然是很多非晶合金系應(yīng)用的主要障礙。洞悉非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)是理解玻璃形成和變形本質(zhì)，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)的

2、非晶合金的關(guān)鍵。
　　本文以Zr-Cu-Al、Zr-Ni-Al和Zr-Cu-Al-Nb等Zr基塊體非晶合金為研究對(duì)象，應(yīng)用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法，對(duì)非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)與玻璃形成以及流變行為的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。全文工作和主要結(jié)果總結(jié)如下：
　　1、基于經(jīng)典結(jié)晶理論研究了非晶合金的流變性能與GFA的影響。結(jié)果表明，合金的等溫轉(zhuǎn)變曲線“鼻尖”溫度Tn處的黏度與GFA成正比，同時(shí)晶化開(kāi)始溫度T

3、x處的黏度與GFA成反比或液相線溫度Tl對(duì)應(yīng)的黏度與GFA成正比。由此得到了新的GFA參數(shù)ψ0=(Tg?T0)/(Tn?T0)+(Tg-T0)/(Tl-T0)，其中 Tg為玻璃轉(zhuǎn)變溫度，T0為理想玻璃轉(zhuǎn)變溫度。
　　2、用AIMD研究了Zr55-xCu45Alx(x=3,7,12 at.％)非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程，并用Honeycutt-Andersen的鍵型指標(biāo)和Voronoi多面體等方法分析了其原子結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)變化對(duì)微觀流變

4、性能和玻璃形成的影響。我們發(fā)現(xiàn)該合金系中添加少量(x=3,7)Al時(shí)，以Al為中心的二十面體團(tuán)簇比以Cu或Zr為中心的團(tuán)簇要穩(wěn)定。不管是在熱起伏還是在外力作用下，這些以Al為中心的團(tuán)簇都是最穩(wěn)定的團(tuán)簇，可視為該合金系中的基本結(jié)構(gòu)單元；當(dāng)x=7時(shí)，這些穩(wěn)定原子團(tuán)簇以共點(diǎn)、共線或共面的方式互相連接形成的二十面體中程序的空間骨架結(jié)構(gòu)，使其整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，原子平均擴(kuò)散能力更低，GFA更強(qiáng)。
　　3、對(duì)(Zr0.5Cu0.4Al0.1)10

5、0-xNbx(x=0,3,6 at.%)非晶合金的實(shí)驗(yàn)和AIMD模擬研究結(jié)果表明，少量的（3 at.%）Nb的添加后，形成了以Nb為中心的（類(lèi)）二十面體以及以Al為中心的（類(lèi)）二十面體原子團(tuán)簇穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這兩種穩(wěn)定團(tuán)簇在合金中互相聯(lián)接和匹配形成了一種更穩(wěn)定緊密的結(jié)構(gòu)，而且也增加了結(jié)構(gòu)總體的非均勻性程度，導(dǎo)致其彈性模量、強(qiáng)度以及宏觀塑性的提高；而較多的（6 at.%）Nb添加后，一些穩(wěn)定Nb團(tuán)簇取代了Al團(tuán)簇，一定程度降低了這種結(jié)構(gòu)的非均勻

6、性程度，并導(dǎo)致其宏觀強(qiáng)度的下降和微觀流動(dòng)性能的提高。
　　4、對(duì)Zr67Ni33-xAlx(x=8,15,21 at.%)非晶合金的AIMD研究表明：該合金系內(nèi)部存在著以Ni為中心和以Al為中心的兩類(lèi)團(tuán)簇，其中以Ni為中心的團(tuán)簇主要為<036>、<0361>、<028>和<0281>這幾種Bernal多面體。而以Al為中心的主要為配位數(shù)為12的<0282>、<0363>、<00120>和配位數(shù)為13的<01102>、<0364>等

7、（類(lèi)）二十面體。（類(lèi)）二十面體的穩(wěn)定性一般高過(guò)這些Bernal多面體，隨著Al含量的提升，以Al為中心的（類(lèi)）二十面體含量也在不斷提高。這就使得合金的強(qiáng)度和彈性模量逐漸提高，而結(jié)構(gòu)的非均勻性程度和流動(dòng)性能逐漸降低。
　　5、對(duì)Zr-Cu-Al(-Nb)和Zr-Ni-Al非晶進(jìn)行單軸壓縮的第一性原理模擬結(jié)果顯示，合金塑性流動(dòng)時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系出現(xiàn)了原子尺度的“鋸齒流變”狀的變化。我們發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的增加，1551鍵對(duì)和（類(lèi)）二十面體團(tuán)