非晶合金形成和形变机理与微观原子结构关系研究获进展

2011-4-19 11:02 来源: 中国科学院
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  非晶合金材料具有优异的力学、物理和化学性能,以及良好的应用前景。因此,非晶合金的形成、结构和性能的研究受到广泛的关注和重视。其中,非晶合金的形成机理和塑性变形机理是非晶态物理和材料领域的两个核心科学问题。非晶合金的形成机理对合金体系非晶形成能力的研究,对探索新型非晶合金材料,以及认识固液转变的物理本质至关重要。而非晶合金中的塑性变形机理则对认识玻璃的本质,无序体系对外加应力的耗散机制,探索有实际应用价值的塑性非晶合金具有重要意义。这两个核心科学问题都与非晶合金原子结构密切相关。要深入理解和认识这两个关键问题,必须研究其微结构起源。但是,由于非晶合金原子结构长程无序,没有平移对称性,使得这两个关键问题和原子结构关系研究一直难有重大进展。

  最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组彭海龙等和中国人民大学李茂枝教授合作,采用分子动力学模拟的方法,系统研究了非晶形成能力以及非晶塑性机制和微观原子结构的关系。和实验上的各种非晶研究方法相比,分子动力学模拟方法能够更好的表征出原子在玻璃转变或者受力形变过程中的结构变化。

  他们采用简单的CuZr二元非晶合金作为模型研究体系。通过改变组元Cu和Zr的成分百分比来调制该体系的非晶形成能力,采用不同种类的多面体团簇密堆模型来描述非晶合金的原子结构。通过对比不同成分和非晶形成能力的CuZr合金在结构和动力学上的不同之处,发现合金中二十面体结构的团簇对玻璃形成能力起着关键性的作用。这些二十面体结构的团簇通过同种类团簇以及和其它大团簇之间的密排来降低整个体系的动力学效应,从而在非晶形成过程中,阻止晶化的发生,促进非晶态的形成;另一方面,这种二十面体由于自身五次对称性而不能排满整个空间,需要另外一些和它有着很强亲和能力的团簇来充当溶质原子。这种不同种类的原子团簇的相互结合,提高体系的稳定性。

  该项工作把非晶合金的形成和合金的微观原子结构联系起来,对认识非晶合金形成机理,寻求如何提高合金非晶形成能力的方法,探索新的非晶合金体系有重要意义。相关工作发表在Appl. Phys. Lett. 96, 021901(2010)。文章随后被Asia Materials评为研究亮点(http://www.natureasia.com/asia-materials/highlight.php?id=648)。

  事实上,非晶态材料中这种团簇的相互连接和密堆是无序态中结构不均匀的一种体现。这种原子层次上的结构特征不仅在玻璃形成能力中有非常重要的作用,而且在形变机理的问题中也扮演非常重要的角色。在非晶合金中,人们比较关注的结构单元之一就是二十面体,因为它有比较高的堆积密度和非常低的能量。但它在一些非晶成分当中却并不存在,因此用它来描述整个无序材料的结构特征是缺乏普遍性的。然而,这种多面体却有一个非常重要的对称性特征——局部的五次对称性(LFFS),它在无序态材料中是广泛存在的。而且由于非晶态中这种团簇的相互连接作用,使得这种局部的五次对称性结构在空间中也不是均匀分布的,而是形成不均匀的条形或者链形结构。

  最近,研究人员采用这种结构上的五次对称性来作为非晶合金的结构特征指标,来描述CuZr二元非晶体的形变特征。通过分子动力学模拟发现,非晶合金的塑性形变的局域化特征能(或者称作非晶合金形变的结构单元,类似晶体材料中的位错)能很好的用这个结构参数来描述。这种局域化的塑性形变最初是在LFFS强度很低区域产生。随着形变量的逐渐增加,非晶合金中LFFS强度低的区域产生了大量塑性形变并且趋于饱和,这样塑性形变就会向LFFS强度比较高的区域扩展。

  该结果表明,局部结构特征参数LFFS在控制塑性形变的产生和扩展上是一个非常关键的因素。这对从原子尺度上理解塑性形变和非晶合金形变的结构单元理论(剪切形变区模型)以及剪切带的产生都有重要的意义。该文章的结果发表在Phys. Rev. Lett. 106, 135503(2011)上。

  相关工作得到了国家自然科学基金,科技部973项目和中科院国际合作团队项目的支持。

 

图1. CuZr二元非晶中的一个团簇。这种典型的团簇是由十二个原子(绿色)环绕在中心的铜原子(红色)形成的,它是一种扭曲的二十面体结构,这种团簇和非晶形成能力密切相关。

图2 塑性形变在非晶态中的局域化特征。(a)在时间间隔为10ps时观察到的塑性形变分布;(b)在观察间隔为40ps时塑性形变开始向周围扩展。

  

图3 (a)随着应变的增加,发生塑性形变区域的五次对称强度在逐步增加,这表明塑性形变是从五次对称强度低的区域逐渐向五次对称强度高的区域扩展的;(b)随着塑性形变量的增加(D2)局域五次对称强度迅速衰减直到一个稳定的值,这个稳定的值是此时引发塑性形变的五次对称强度的临界值。

  

图4 体系在z=0平面的切面图,其中红色的区域表示发生塑性形变的区域,黑色的小球代表局部五次对称强度大于0.5的原子,黑色原子链对红色区域的阻挡表明五次对称强度高的区域对塑性形变有着抑制和阻碍的作用。(a)图是形变为5%的时刻;(b)图是形变为10%的时刻。