金属玻璃表面效应及粘度的分子动力学模拟

摘要

金属玻璃又称为非晶态合金，是一种性能优异的新型金属材料。金属材料在自然状态下为长程有序的晶态结构，然而金属玻璃的原子排列则呈现长程无序的非晶态结构。这种特殊的结构使金属玻璃拥有许多不同于常规金属的特殊性能，其中包括高强度、高弹性、高耐磨性和优异的软磁性能等。然而在实际应用中，金属玻璃容易发生的脆性断裂，这使其在产业化应用过程中面临诸多困难。此外，诸如金属玻璃的微观结构、增韧方法、尺寸效应等基本问题科学问题目前尚不清晰。本文使用分子动力学的方法，研究了Ni-Nb的尺寸效应和Cu-Zr金属玻璃熔体的结构特点。主要结果如下所示： （1）NiNb金属玻璃表面软化与压缩效应。通过分子动力学的方法研究了Ni-Nb金属玻璃薄膜在拉伸过程中的变形行为。随着样品厚度的下降，四种成分的样品的变形模式均从局部变形转变成均匀变形。研究发现表面层的压缩效应和软化效应是导致样品发生变形模式转变的主要原因。将表面层相对内部层的强度定义为软化系数。研究发现样品的软化系数决定了样品的临界尺寸。富Ni样品表面层的软化系数低，因此更大的表面体积分数才能使样品的变形模式发生变化，对应着更小的临界尺寸。 （2）Cu50Zr50金属玻璃熔体粘度和微观结构的关系。使用分子动力学的方法研究了Cu50Zr50熔体降温过程中的结构演变。通过能量分布曲线上的高能区和低能区，定义了高能原子。其含量随着温度和截断能量Δpe的变化可以用FET方程f=f0e-(19262/T+1.629)Δpe定量描述，具有与Arrhenius方程非常相似的表达式。研究发现，高能原子含量与宏观粘度之间的关系可以通过VF方程η=expn f m定量描述，表明高能原子含量与宏观粘度存在密切关系。

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