金属玻璃原子结构与力学性能关系的研究

金属玻璃材料的脆性本质是基础科学研究的前沿。金属玻璃材料的力学性能与原子结构有着紧密联系。本项目利用先进实验技术（例如同步辐射、电镜等技术）和先进理论计算模拟(反蒙特卡罗, 经典和第一性原理MD, 第一性原理密度泛函理论)方法，研究了金属玻璃的原子结构与力学性能的关系，发现了金属玻璃材料的塑性不仅对测试温度非常敏感，而且在中温区（约0.6倍玻璃转变温度）存在一个塑性极小值，在金属玻璃材料中首次发现这种中温脆性现象，它不同于从低温到高温材料发生脆性到韧性转变的传统认知。深入研究了样品尺寸大小、拉/压应力状态、变形速率、变形温度对金属玻璃发生从局域变形模式到非局域变形模式的转变的影响，揭示金属玻璃薄膜材料室温下呈现出超大弹性应变极限的原子机理、剪切带原子结构和变形行为。 2100433B

金属玻璃材料的脆性本质是基础科学研究的前沿。金属玻璃材料的力学性能与原子结构有着紧密联系。然而，在应力作用下金属玻璃材料中局域原子的变化规律到目前为止还并不是很清晰，人们依然不能回答剪切带的原子结构是什么,与基体材料原子结构有何差异,剪切带是如何产生和扩展的，裂纹是如何在剪切带上产生等问题。所以对金属玻璃材料原子结构的深入研究必将加深人们对这种先进材料力学性能的理解，为了推进这种先进材料的工业化应用。本项目拟将采用先进同步辐射实验技术（原位拉伸X射线衍射、吸收谱和成像)和先进理论计算与模拟方法（反蒙特卡罗、第一性原理和经典分子动力学），系统地研究金属玻璃在拉伸条件下原子电子结构随应力的变化规律, 揭示金属玻璃材料弹性极限与原子结构的内在关系，阐述金属玻璃材料中剪切带的原子结构以及形成和发展过程，揭示金属玻璃材料的脆性本质，研发出1-2种具有优异综合性能的新型金属玻璃材料。

金属玻璃以其独特的原子结构 – 长程无序的类液体结构，以及独特的物理、机械性能，一直是科学研究的重点之一。从金属玻璃原子结构角度深入理解和解释金属玻璃的物理性能和力学性能，尤其是过冷液体转变和伴随的急剧的强度降低，相应的局域剪切带变形到均匀超塑性变形的现象，需要对金属玻璃的局域原子结构进行深入的研究。本项目利用中子衍射和高能同步辐射等先进技术对Zr基金属玻璃局域原子结构进行了原位升温的测试和深入的分析研究。局域原子结构分析数据表明自由体积在进入玻璃转变和过冷区间时增速显著加快。并发现金属玻璃从室温升温时，其产生的局域原子结构内的由原子对得到平均微观热膨胀系数远小于宏观热膨胀系数，当温度高于玻璃转变温度后，该微观热膨胀加倍增加的现象。进一步的分析表明，当金属玻璃进入过冷区时，超常短键连接团簇和自由体积同时相关增加。本研究进一步通过第一性原理分子动力学(AIMD)对局域原子结构进行了模拟计算。此研究有力地支持和进一步明确了作者提出的以过渡区为核心的含超常紧密键对团簇的非晶结构模型 - the tight-bond cluster model：团簇 过渡区 自由体积。团簇间的过渡连接区在玻璃转变时吸热发展成为自由体积，使得团簇被具有液体性质的自由体积包围，因此伴随相应的强度的急剧降低，及宏观塑性的质的增加。团簇，过渡区和自由体积的局域热膨胀的不同，导致局域微观热膨胀和宏观热膨胀的不同。在此基础上，本项目还系统研究了不同成分的金属玻璃从不同的熔融状态快速冷却后对其局域原子结构，非晶体的热力学性能和金属玻璃的玻璃形成能力的影响。除了成分的决定性影响外，结果分析表明，提高熔融急冷温度可提高玻璃形成能力。其原因是由于熔融温度对液体局域原子结构的影响。本项目的研究工作为金属玻璃材料的进一步开发和研究进一步提供了有益的理论基础。

当材料的晶粒尺寸被控制到纳米级以至长程无序的非晶时，材料呈现出了其特殊的性能。如金属玻璃呈现出接近理论值的高强度和直到屈服时的理想弹性应变等常规材料所不具备的高性能。此材料在玻璃转变温度（约其熔点的一半）时只需徐吸收极少的能量即完成固体到过冷液体的物理和力学性能的转变。不同成分的金属玻璃呈现极为不同的玻璃形成能力和结晶化过程。由于金属玻璃不具有周期性单体晶胞，又非原子级无序，其结构之复杂超出多数高技术设备的分辨能力，所以至今尚无法从原子排列的角度深入理解玻璃形成能力。随着近年来高强度中子衍射中心在美国国家实验室的建立和发展，利用中子衍射对材料局域原子结构的研究也得到了迅速发展。申请人多年来在美国从事高强度中子衍射对材料局域原子结构的研究。利用此技术对金属玻璃和其加热结晶化过程的局域原子结构变化进行深入的研究，可更为本质地理解影响玻璃形成能力的因素，为开发此类新材料奠定更为坚实的理论基础。

研究W1/金属玻璃复合材料的动态力学行为、穿甲力学行为及其影响因素。认识W1/金属玻璃复合材料在动态压缩、高速撞击过程的破坏机理及破坏形式，系统研究W1/金属玻璃复合材料密度、弹体长径经比与穿透深度间的关系，提供该材料在军事领域应用的制备及加工技术、以及动态和穿甲力学参数，交大块金属玻璃复合材料的研究推向实用化。