金属非晶与纳米晶界面微观结构与界面行为的模拟研究

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非晶合金因具有高强度、高弹性极限以及耐磨耐蚀等优异性能而受到人们的极大关注，但这种材料的致命缺陷——室温脆性，严重阻碍了其工程应用。为解决这一问题，人们开展了大量研究工作，力图揭示其变形机理并提升其室温塑性。近年来人们发现通过在非晶合金基体中引入第二相能够有效改善一些非晶合金的塑性变形能力。但由于实验手段的限制，尚未能彻底认识其内在机制，特别是对两相界面的微观结构特征、性能行为及其在材料变形中的作用机理等。本文以具有较高非晶形成能力的Cu-Zr合金系统为对象，以分子动力学模拟为主要手段，对B2-CuZr晶体与Cu50Zr50非晶之间界面的微观结构、热力学性能、动力学行为及低温压缩性能等进行深入研究，以期推进对晶体/非晶界面结构和性能等的认识，促进非晶合金的开发利用。取得的主要结果有：
　　晶体相/非晶相之间的界面并非简单的二维曲面，而是具有一定厚度且微观结构独特的三维过渡区。基于不同微观结构参数标定出的界面范围大相径庭，反映出两相过渡区微观结构的复杂性。例如，B2-CuZr（110）晶面与Cu50Zr50非晶形成的界面，基于原子数密度分布的分析发现，从晶体的有序层状分布到非晶的无序均匀分布之间过渡区的跨度达到5到6个原子层距离，但对过渡区内原子层层内有序性的分析表明从晶体有序性到非晶长程无序结构之间的转变只需要2-3个原子层距离；基于原子局域序参数确定的界面宽度约为1.8，而基于Voronoi多面体指数分析给出的过渡区范围约为8.0。复杂的界面微观结构意味着，实际研究中应当根据研究的具体情况来选取表征界面范围的相应结构参数。
　　对B2-CuZr与Cu50Zr50非晶之间的平界面及球壳界面微观结构的分析表明，界面区域原子的有序度、平均原子体积等均介于相邻两体相之间，呈现典型的过渡性质，且界面区未观察到明显的成分偏析现象。但基于Voronoi多面体的分析表明，一些多面体团簇仅在界面区域有较大分布，如以Cu为中心的<0,5,2,6>和以Zr为中心的<0,4,4,6>，表明这些团簇标度了界面区的微观几何结构特征。对这两种多面体团簇的剖析发现，它们实质上是标度B2晶体相的<0,6,0,8>团簇在界面处为适应非晶相的无序结构而作出微调的产物。换句话讲，它们的存在有利于界面两侧空间结构的顺利过渡。能量分析表明，它们的存在还有助于降低体系的能量，含有较多此类界面特征团簇的界面具有相对较低的界面能；平界面体系取向平均的界面能约为174 mJ/m2。
　　晶体相和非晶相之间界面的微观结构、界面能等与界面体系中晶体相的位向相关。在B2-CuZr的三个低指数晶面（100）、（110）和（111）与Cu50Zr50非晶形成的界面中，（110）位向的界面宽度最窄，界面非晶一侧诱发的层状有序分布最为显著、深远，界面特征团簇<0,5,2,6>和<0,4,4,6>的含量最高，界面能最低（约165 mJ/m2），这是因为（110）晶面的层间距与非晶的内在周期最为接近，晶体的密度波动易于诱发非晶密度波动的共振，从而在非晶中引发了显著的层状有序分布。
　　界面结构及性能均会受到体系温度的影响。对界面体系在不同温度下退火后的分析表明，随着温度的升高，原子运动加剧，促进了界面区的结构弛豫，界面特征团簇<0,5,2,6>和<0,4,4,6>的含量有所上升，同时界面能降低。当退火温度高于600 K后，平界面体系中开始观察到晶化现象，界面向非晶侧移动。温度越高，晶化速率越大，晶化速率和温度之间服从阿伦尼乌斯关系。晶化激活能与界面位向相关，界面能越低的界面晶化激活能越高。但改变温度并没有改变不同取向界面间微观结构—性能等之间的相对关系。
　　球状纳米晶和非晶之间界面的微观结构和性能与纳米晶粒的尺寸相关。随着纳米晶粒尺寸的增大，界面区特征团簇的含量降低，界面能增大，晶化时的激活能降低，纳米晶足够大时球壳界面的结构与性能逐渐趋近于平界面的特征。
　　界面的存在能够显著改变非晶合金的变形行为。低温下的单轴压缩实验表明，B2-CuZr与Cu50Zr50非晶所形成的层状复合结构的塑性变形能力显著高于单相非晶合金。分析表明，界面的存在抑制了非晶区主剪切带的形成，促进了应力在非晶区域的均匀化，但非晶微观不均匀的本性最终会产生应变集中，非均匀的变形容易在界面处诱发晶体相位错的形成和运动，穿越过晶体区的位错在到达另一侧界面后往往会在非晶区激活新的剪切转变区，从而提高了非晶的塑型变形量。综合来讲，界面的作用主要有两个方面：在应力集中产生前抑制剪切带的形成和扩展；应力集中产生后借助位错运动促使剪切带的增殖。两方面效应的综合作用，有效地提升了非晶的塑性变形能力。

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作者
高晓泽;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科材料加工工程
授予学位博士
导师姓名孔令体;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
纳米晶; 微观结构; 界面行为; 非晶合金; 塑性变形; 数值模拟;

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