非晶合金局域結構的可視化表征

《非晶合金局域結構的可視化表征》是依託中國科學院力學研究所，由魏炳忱擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非晶合金局域結構的可視化表征
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：魏炳忱
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

非晶合金局域原子結構的認識是本領域的核心科學問題，它與非晶形成能力、熱力學性質和力學行為等密切相關。最近幾年利用先進的實驗技術和計算方法對原子尺度上的非晶結構有了逐步深入的認識，但是對非晶合金實際結構的了解還遠未實現，這是因為現有的實驗技術難以對非晶合金的局域結構進行直接表征。膠體體系已被證明是模擬原子/分子體系物理行為的有效手段，它的突出優勢是可對單個粒子的行為進行直接觀測。膠體體系已被用於模擬研究非晶態材料（包括非晶合金）的玻璃轉變、晶化過程和局域結構。本項目利用二元膠體體系，針對現有的實際二元非晶合金形成合金，對非晶形成過程進行模擬，在此基礎上深入探討局域結構、自由體積/缺陷的尺度、分布及其演化規律，從而為非晶形成和流變機制的原子尺度結構因素，提供直接的實驗證據。這方面的研究將對非晶合金局域結構的理解及其與性能關聯方面的研究提供新的、有價值的啟示和直觀證據。

結題摘要

結構因素是影響合金非晶形成能力和性能的主控因素之一。研究非晶合金的結構因素，以及微觀結構與形成能力之間的關聯，對於提高非晶形成能力，開發新的合金體系有非常重要的意義。由於很高堆積密度和很小的原子尺度，現有的表征方法還無法為非晶合金的局域結構提供直觀可靠的實驗證據。本項目以影響非晶形成的結構因素為主線，利用膠體模擬的實驗方法，探討了非晶合金的結構因素與非晶形成能力、原子結構、動力學性質的關係。 實驗結果表明，膠體模擬是用來研究合金的非晶形成能力的有效手段；二元的膠體體系的純幾何因素（粒徑比，混合比）對二元合金的非晶形成能力起主導作用；二元體系的時間凍結參數並非隨成分單調變化，在某一些成分點出現峰值，這與實際Cu-Hf、Cu-Zr合金的形成能力完全符合。 利用二元膠體體系,針對實際的Cu-Zr二元非晶合金，通過光學觀測、徑向分布函式、團簇結構分析，研究了成分連續變化對局域結構的影響，發現非晶形成能力好的二元體系的中程有序尺度為10~20個粒子大小，短程有序尺度為2~3個粒子大小，短程有序的基本單元通過五邊形團簇單元的最外緣的組成粒子連線成中程式。 以二元膠體體系為基體，添加第三種膠體粒子模擬了第三組元Al對實際的Cu50Zr50非晶合金非晶形成能力和原子結構的影響。研究結果發現，第三組元的加入使得整個體系的粒子分布趨於均勻，抑制了二元體系中粒子的偏聚。三元體系的中程有序尺度為10~20個粒子大小，較二元基體降低。五邊形數目在加入第三組元之後有顯著提高。 調節膠體體系濃度模擬了實際Cu-Zr二元非晶合金的過冷液態。針對形成能力強的非晶成分，研究了過冷液態結構和動力學性質。二元過冷液態體系的基本短程有序單元為2~3個粒子大小，與對應非晶態相同。但中程有序尺度約10個粒子大小，小於非晶態中的10~20個粒子大小。非晶形成能力強的二元體系中，動力學不均勻性更加明顯，表現在弛豫的時間出現的更早，結束的更晚，弛豫時間更長；在弛豫時間段內，擴散更慢。