納米金屬玻璃復(fù)合材料及其塑性變形機理研究.pdf

1、自從上個世紀納米金屬玻璃提出以來，納米材料這一概念延伸到無定形結(jié)構(gòu)。納米金屬玻璃中，非晶晶粒的尺度減小到納米級，晶界作為一種缺陷大量存在于材料內(nèi)部，使自由體積非局域化地均勻分布在各個非晶晶粒之間，以使得剪切帶密度增加，剪切流變穩(wěn)定進行，最終實現(xiàn)延展性的提升。到現(xiàn)在為止納米金屬玻璃已在力學(xué)性能，電磁性能，催化性能，生物兼容性等方面取得了許多令人矚目的研究成果。本文中，我們嘗試引入一個新相，即弱（軟）相非晶，替代一般納米金屬玻璃內(nèi)的非晶晶界

2、，構(gòu)建一種新型納米金屬玻璃復(fù)合材料。主要利用分子動力學(xué)方法進行計算和模擬，具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　將Cu-Zr-Al三元勢函數(shù)模擬得到的樣品參數(shù)與相同化學(xué)成分樣品的實驗結(jié)果進行對比，證實勢函數(shù)的合理性。根據(jù)剪切模量和泊松比的不同,強相非晶確定為Cu64Zr36,弱相非晶為Al64Zr36，它們抵抗剪切加載的能力和流動性有明顯的差異，并且均具有足夠好的非晶形成能力。探尋出構(gòu)建金屬玻璃復(fù)合體系的方法，得到的雙相非晶中每一相

3、在結(jié)構(gòu)和能量上都接近單相非晶。
　　構(gòu)建層狀（一維）金屬玻璃復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)弱相非晶層恰好處于最大剪切力方向時，啟動剪切帶所需的力壘和能壘消失，由弱相非晶層承載的剪切流變以更平緩、更容易的方式發(fā)生。分析剪切帶區(qū)域及周邊的位移場，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)原子進行塑性渦流，剪切帶兩側(cè)原子向相反方向滑開，以適應(yīng)外加載荷。即使在高溫和和劇烈的加載下，兩相原子在界面處的互擴散仍是有限的，保持復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　接下來構(gòu)建平面（二維）納米金屬玻

4、璃復(fù)合材料，在室溫下單軸拉伸（壓縮）,樣品在塑性階段的拉伸軟化非常微弱，以全局的、均勻的方式承載塑性應(yīng)變至工程應(yīng)變達25％。本模型中非晶晶粒的直徑為18 nm，突破了前人模擬總結(jié)提出的納米金屬玻璃實現(xiàn)均勻變形的臨界晶粒直徑為5 nm的限制。通過細節(jié)分析，可發(fā)現(xiàn)多個穩(wěn)定淤塞區(qū)的產(chǎn)生，是實現(xiàn)均勻形變的根本原因。淤塞流現(xiàn)象在顆粒材料及其它材料中都普遍存在，淤塞區(qū)的位移場與剪切轉(zhuǎn)換區(qū)類似，結(jié)構(gòu)的不均性、對稱性、晶粒和樣品的尺度等因素決定著淤塞區(qū)

5、的穩(wěn)定性。納米金屬玻璃和單相玻璃一樣，其屈服強度與溫度的關(guān)系符合W.Johnson提出的普遍規(guī)律，基于現(xiàn)有的自由體積或剪切轉(zhuǎn)化區(qū)理論能很好地證實從不均勻形變到均勻形變的合理性，穩(wěn)定淤塞區(qū)的產(chǎn)生使得兩種形變方式轉(zhuǎn)變的臨界溫度下降，臨界應(yīng)力升高。納米金屬玻璃復(fù)合材料在其它加載方式下或有缺陷時皆表現(xiàn)出一定程度的均勻變形。納米金屬玻璃復(fù)合體系中弱相層的化學(xué)組分和厚度可人為調(diào)控，以及它擁有較好的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，這些是一般納米金屬玻璃所不具備

6、的優(yōu)勢。
　　在塊體非晶中引入不同厚度的弱相非晶層，發(fā)現(xiàn)存在一個固有尺度，若小于該尺度，弱相層無法單獨承載塑性流。在穩(wěn)定流變階段，剪切帶有膨脹擴寬的趨勢，其寬度與時間的關(guān)系可由基于流體的公式得到，與加載時間t成1/2次方關(guān)系，金屬玻璃復(fù)合體系中剪切帶的膨脹受到明顯的抑制，剪切流主要被限制在弱相層內(nèi)。原子進行塑性渦流的同時產(chǎn)生垂直于剪切面的位移，會加快兩相原子間的互擴散。比較剪切帶處及其附近區(qū)域的局部應(yīng)變率，發(fā)現(xiàn)它和Mises應(yīng)變一