块体金属玻璃基复合材料细观本构模型研究结题摘要

金属玻璃独特的微观结构使得其具有许多优良的力学性能，然而它所表现出来的宏观脆性严重限制了其在工程结构上的应用。为了增加金属玻璃的韧性，研究者们在金属玻璃中引入晶体相，制备出既具有高强度又具有良好韧性的金属玻璃基复合材料。由于金属玻璃复合材料具有良好的力学性能，因此具有广阔的应用前景。针对目前金属玻璃基复合材料力学行为以及本构模型研究方面的不足，本项目首先通过宏观实验、微观观察以及纳米压痕实验，了解金属玻璃基复合材料的单调拉伸、压缩以及单轴循环变形的特征和变形以及失效机理。然后借助UMAT用户子程序将改进的自由体积模型引入ABAQUS软件，建立了二维和三维的代表性体积单元，模拟了金属玻璃基复合材料在单轴拉伸和压缩载荷作用下的变形过程，讨论了颗粒体积分数、形状、分布规律以及材料参数等微结构参数对复合材料中剪切带的演化以及复合材料韧性的影响。进而基于自由体积模型，引入能够有效反映纳米孔洞形核和汇聚的演化方程，在连续介质热力学框架下构建了一个能够合理描述金属玻璃失效的三维本构模型；最后采用广义Mori-Tanaka（M-T）方法和二次均匀化方法，构建了一个能够合理描述金属玻璃基复合材料变形和局部失效行为的细观本构模型，对金属玻璃基复合材料在单调拉伸和压缩时的应力-应变行为及失效行为进行了合理地描述和预测。项目的研究结果丰富了对块体金属玻璃基复合材料的力学行为的认识，所建立的本构模型可为该类材料构件的设计以数值分析提供理论基础，促进金属玻璃基复合材料在工程结构中的应用，具有重要的理论意义和工程应用价值。 2100433B

针对金属玻璃基复合材料力学行为以及本构模型研究方面的不足，通过系统的宏观和微观实验研究，了解第二相增韧金属玻璃基复合材料的单调拉伸、压缩以及单轴循环变形的特征和微观机理，并结合有限元模拟讨论不同微结构特性对复合材料力学行为的影响；进而在自由体积模型以及均匀化理论的基础上，引入能够反映复合材料增韧机理以及微结构特征的参数，同时考虑循环变形中的加卸载规律以及循环软/硬化规律，在细观层次得到一个能够合理描述复合材料单轴拉伸、压缩以及循环变形行为的本构模型。研究结果将会丰富对块体金属玻璃基复合材料的力学行为的认识，促进该材料在工程结构中的应用，同时又可为该类材料构件的设计以及寿命评估提供理论基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

Zr基大块金属玻璃因其具有高强度，耐磨损，高弹性和低弹性模量以及优异的耐腐蚀性能而在生物医学领域呈现广阔的应用前景。然而，当前对这类新型亚稳材料的生物相容性的研究仍相当欠缺。本项目提出通过合理的成分设计首先制备出具有较好室温塑性的无Ni型Zr基块体金属玻璃。然后，通过对此金属玻璃的微结构，热稳定性和室温力学性质的研究，评估其作为生物材料的力学相容性。在此基础上系统研究金属玻璃在模拟体液中的电化学行为和腐蚀磨损特征；研究金属玻璃对组织细胞（如纤维原细胞、成骨细胞等）生长和代谢的影响以及金属玻璃与血液各成分的生物反应和相互作用，评估该块体金属玻璃的生物相容性。为开发具有自主知识产权的新型高性能生物医用金属材料提供理论和实验依据。

简单的制备技术与廉价的使用原料成为了推动块体金属玻璃广泛推广和规模应用的必要条件。本项目基于合金化理论，通过分析工业原料中常见杂质元素对铜基块体金属玻璃形成能力的作用规律以及与合金性能的关联机制，尝试探明杂质元素在铜基块体金属玻璃制备过程中扮演的角色。以二元CuTi金属玻璃薄膜为研究对象，揭示成分变化与结构弛豫的关系，探明了Ti含量相对较高的Cu42Ti58金属玻璃薄膜具有更为松弛的结构状态，这为富铜钛兼顾塑韧性的铜基块体金属玻璃制备提供了成分的调控规律；以“多元”合金元素的思路厘清多种杂质元素同时存在对玻璃形成能力及其变形机制的作用机制，分别研究了Y、Co、Mn元素对铜基块体金属玻璃的玻璃形成能力与过冷液相区内粘度的变化规律，得到了合理控制合金元素Mn的含量，可以实现对基体玻璃形成能力的提高。以Al、Ni、Si作为合金元素添加至铜基块体金属玻璃中，研究了合金元素对基体结晶动力学的影响，揭示了Al、Ni和Si合金元素的添加并未较大地影响到金属玻璃结晶过程中的形核和长大过程，但对该过程涉及的能量势垒变化影响较大。借助于难熔金属元素Nb添加Cu基金属玻璃中构建的具有不同尺寸析出相的复合材料，提出了基于Kelvin模型对应力-时间进行拟合分析锯齿流变行为方法，与现有方法具有较高的吻合性。研究Ta元素增强Cu基金属玻璃中，建立了金属玻璃的蠕变激活体积-蠕变应力-蠕变温度的关系图，揭示了蠕变激活能受控于金属玻璃的蠕变激活体积。本项目取得的部分成果可以有效地消弱低纯粗铜原料中杂质元素对于玻璃形成能力“恶化”的负面效应。本项目的实施并对揭示块体金属玻璃的形成与关键制备技术具有重要的学术意义以及突出的新颖性和必要性。

简单的制备技术与廉价的使用原料成为了推动块体金属玻璃广泛推广和规模应用的必要条件。本项目拟用工业原料制备Cu基块体金属玻璃，系统分析工业原料中杂质元素的类别、含量与存在形式对玻璃形成能力和塑性的影响，充分利用杂质元素对玻璃形成能力与塑性的正面效应，有效改善杂质元素在其中导致的负面影响。探明工业原料制备Cu基块体金属玻璃的杂质允许范围，明确高玻璃形成能力兼顾显著塑性的Cu基块体金属玻璃的成分与结构特征，揭示工业原料制备Cu基块体金属玻璃的可行性并获得关键技术，为其广泛推广和工业生产提供可靠的理论支撑及技术指导。本项目的实施可获得低锆富铜钛兼顾高玻璃形成能力与显著塑性的低成本Cu基块体金属玻璃，并对揭示块体金属玻璃的形成与关键制备技术具有重要的学术意义以及突出的新颖性和必要性。