非晶合金宏观性能与微观原子结构关系研究取得新进展

李茂枝 研究组 供稿 2011-04-25

高温液态合金超快速冷凝时，其原子来不及有序排列结晶，得到长程无序的固态合金，称为非晶合金。非晶合金材料具有优异的力学、物理和化学性能，在国防等关键领域有着广阔的应用前景。因此，其形成、结构和性能的研究受到了广泛的关注。其中，非晶合金的形成机理和塑性变形机理是非晶态科学研究领域的两个核心问题。这两个核心问题都与非晶合金微观原子结构密切相关。要深入理解和认识这两个关键问题，必须研究其微观结构起源。但是，由于非晶合金原子结构长程无序,没有平移对称性，长期以来人们对非晶合金微观原子结构没有明确的认识，使得这两个关键问题和原子结构的关系也一直不清楚，阻碍了非晶态科学的进一步发展。

中国人民大学物理系李茂枝副教授研究组长期从事非晶合金微观原子结构特征、形成能力和力学性能的理论和计算模拟研究，取得了一系列创新性的成果。如Phys. Rev. B 80,184201 (2009)；Appl. Phys. Lett. 96, 021901(2010)等。最近，李茂枝副教授研究组与中国科学院物理研究所汪卫华研究组彭海龙等合作，采用分子动力学模拟方法系统研究了CuZr非晶合金的塑性形变机制和微观原子结构的关系。

他们发现，虽然非晶合金中的二十面体团簇的相互连接和密堆的结构特征在玻璃形成能力和形变机理的问题中起到了重要的作用，但它在一些非晶成分当中却并不存在或所占比例很小，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，另一种非常重要的对称性特征——局部的五次对称性（LFFS）却是在无序态材料中广泛存在的。他们采用这种五次对称度作为非晶合金的结构特征指标来描述CuZr二元非晶合金的形变特征。数值模拟表明，非晶合金塑性形变的结构单元可以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度很低的区域产生，随着形变量增加， LFFS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度比较高的区域扩展。

这些结果表明，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以及剪切带的产生都具有重要的意义。相关研究结果发表在2011年3月30日出版的Phys. Rev. Lett. 106, 135503 (2011) 上。