隨著科技迅猛發(fā)展，許多實(shí)際應(yīng)用已擴(kuò)展到低溫及超低溫環(huán)境。例如，航天及星表環(huán)境經(jīng)常遭遇極低溫度。常規(guī)晶體合金材料在極端低溫環(huán)境中，其性能主要表現(xiàn)為強(qiáng)度增加而塑性降低，甚至出現(xiàn)冷脆。非晶合金作為新型合金，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其低溫耐磨性明顯高于常規(guī)合金，且發(fā)生明顯的反向增韌現(xiàn)象，使得強(qiáng)度和塑性同時(shí)增強(qiáng)，從而改善其力學(xué)性能。因此美國NASA已在航天器用結(jié)構(gòu)材料中多次使用非晶合金。但目前為止仍未徹底揭示該現(xiàn)象的機(jī)制機(jī)理。
基于此，來自南京航空航天大學(xué)的楊亮教授團(tuán)隊(duì)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬了Zr2Cu非晶合金在低溫環(huán)境中的拉伸變形行為，從自由體積剪切帶等多個(gè)角度分析了溫度降低對(duì)非晶合金微觀結(jié)構(gòu)及變形行為的作用機(jī)制，從而解釋了非晶的低溫反向增韌機(jī)理。相關(guān)研究成果以“Structural mechanisms of enhanced mechanical property in cryogenic ZrCu metallic glasses”為題在International Journal of Plasticity上發(fā)表。

本工作通過分子動(dòng)力學(xué)模擬了Zr2Cu非晶合金在低溫環(huán)境中的拉伸變形行為，從自由體積、原子堆積效率、原子剪切應(yīng)變、原子勢(shì)能、剪切轉(zhuǎn)變區(qū)（STZ）、剪切帶等多個(gè)角度分析了溫度降低對(duì)非晶合金微觀結(jié)構(gòu)及變形行為的作用機(jī)制，從而解釋了非晶的低溫反向增韌機(jī)理。研究人員發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低，非晶模型的機(jī)械性能參數(shù)均有提高，如圖1所示，印證了實(shí)驗(yàn)觀察的非晶合金低溫反向增韌現(xiàn)象。通過原子剪切應(yīng)變深入分析了非晶合金在變形過程中STZ以及剪切帶在不同溫度中的響應(yīng)機(jī)制，參見圖2。總結(jié)，低溫誘導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)和能量的變化，導(dǎo)致延遲STZ的萌生并阻礙了剪切帶的形核，是非晶合金低溫增韌的最根本原因。

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文章轉(zhuǎn)載自《非晶中國》