高溫液態(tài)合金超快速冷凝時，其原子來不及有序排列結(jié)晶，得到長程無序的固態(tài)合金，稱為非晶合金。非晶合金材料具有優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，在國防等關(guān)鍵領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，其形成、結(jié)構(gòu)和性能的研究受到了廣泛的關(guān)注。其中，非晶合金的形成機(jī)理和塑性變形機(jī)理是非晶態(tài)科學(xué)研究領(lǐng)域的兩個核心問題。這兩個核心問題都與非晶合金微觀原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。要深入理解和認(rèn)識這兩個關(guān)鍵問題，必須研究其微觀結(jié)構(gòu)起源。但是，由于非晶合金原子結(jié)構(gòu)長程無序,沒有平移對稱性，長期以來人們對非晶合金微觀原子結(jié)構(gòu)沒有明確的認(rèn)識，使得這兩個關(guān)鍵問題和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系也一直不清楚，阻礙了非晶態(tài)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。
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中國人民大學(xué)物理系李茂枝副教授研究組長期從事非晶合金微觀原子結(jié)構(gòu)特征、形成能力和力學(xué)性能的理論和計算模擬研究，取得了一系列創(chuàng)新性的成果。如Phys. Rev. B 80,184201 (2009)；Appl. Phys. Lett. 96, 021901(2010)等。最近，李茂枝副教授研究組與中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究組彭海龍等合作，采用分子動力學(xué)模擬方法系統(tǒng)研究了CuZr非晶合金的塑性形變機(jī)制和微觀原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
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他們發(fā)現(xiàn)，雖然非晶合金中的二十面體團(tuán)簇的相互連接和密堆的結(jié)構(gòu)特征在玻璃形成能力和形變機(jī)理的問題中起到了重要的作用，但它在一些非晶成分當(dāng)中卻并不存在或所占比例很小，因此用它來描述整個無序材料的結(jié)構(gòu)特征是缺乏普遍性的。然而，另一種非常重要的對稱性特征——局部的五次對稱性（LFFS）卻是在無序態(tài)材料中廣泛存在的。他們采用這種五次對稱度作為非晶合金的結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)來描述CuZr二元非晶合金的形變特征。數(shù)值模擬表明，非晶合金塑性形變的結(jié)構(gòu)單元可以很好的用這個結(jié)構(gòu)參數(shù)來描述。這種局域化的塑性形變最初是在LFFS度很低的區(qū)域產(chǎn)生，隨著形變量增加， LFFS度低的區(qū)域產(chǎn)生了大量塑性形變并且趨于飽和，這樣塑性形變就會向LFFS度比較高的區(qū)域擴(kuò)展。
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這些結(jié)果表明，局部結(jié)構(gòu)特征參數(shù)LFFS在控制塑性形變的產(chǎn)生和擴(kuò)展上是一個非常關(guān)鍵的因素。這對從原子尺度上理解塑性形變和非晶合金形變的結(jié)構(gòu)單元理論以及剪切帶的產(chǎn)生都具有重要的意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2011年3月30日出版的Phys. Rev. Lett. 106, 135503 (2011) 上。
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本工作受到如下基金資助 |
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國家自然 科學(xué)基金 |
51071174,50731008,50921091 |
科技部 973項目 |
2007CB613904 |
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