基于原子模拟的金属玻璃强度的结构-性能关系研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Structure–property relationships governing metallic glass strength from atomistic simulations

金属玻璃机械性能与结构关联性研究：通过分子动力学模拟对比分析七种不同成分金属玻璃的应力-应变曲线及结构特征，发现强度排序为Cu-Ag（最弱）至Zr-Pt（最强），且高强度合金具有更低的自由体积和更大更互联的固体-like多面体结构。相关性分析表明自由体积和最大网络节点数是预测强度的关键因素。

　　

Nicolás Amigo

物理系，自然科学、数学与环境学院，智利圣地亚哥都市技术大学，Las Palmeras 3360，?u?oa 7800003

摘要

通过分子动力学模拟研究了七种具有不同成分的金属玻璃的机械和结构特性。标准化应力-应变曲线显示，根据屈服应力、最大应力、流动应力、恢复率和韧性等机械性能，这些金属玻璃的强度存在明显的排序，顺序为Cu-Ag、Cu-Zr、Ni-Co-Al、Cu-Zr-Al、V-Al、Zr-Nb到Zr-Pt。结构分析表明，自由体积呈单调递减趋势，而类固体多面体仅在最强的合金中增加。中程有序性分析显示，强度较高的玻璃包含较少的类固体多面体网络，但这些网络更大且相互连接更为紧密。Spearman相关性分析表明，自由体积和网络节点的最大数量是预测强度的最可靠指标。这些结果表明，自由体积的减少以及大而高度互联的多面体骨架的形成是决定金属玻璃机械性能的关键因素。

引言

金属玻璃（MGs）是一种新型材料，以其高强度、优异的弹性极限以及出色的耐腐蚀性和耐磨性而著称，这使得它们在许多应用中具有吸引力[1]、[2]、[3]、[4]。然而，尽管具有这些优点，金属玻璃在室温下的延展性有限，容易通过剪切带的形成和扩展而发生灾难性失效。这一限制促使人们进行大量研究以理解和改善其机械性能。

实验研究表明，剪切带是发生塑性变形的薄而局部的区域[1]、[5]。剪切带的形成始于剪切转变区（STZs）的成核和渗透，这些局部塑性事件是由机械变形过程中的原子重排驱动的[6]、[7]、[8]。分子动力学（MD）模拟是一种计算技术，用于研究金属玻璃在外加载作用下的原子结构。MD模拟的一个局限性是缺乏适用于特定合金的适当原子间势能模型。得益于原子间势能的发展，已经研究了多种金属玻璃，包括Cu-Zr、Cu-Zr-Al、Ni-Co-Al、Cu-Ag、Zr-Pt、Zr-Nb、V-Al等[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。早期的研究主要集中在金属玻璃的短程有序性上，发现类二十面体结构（也称为类固体结构）赋予了材料强度，而低对称性结构（也称为类液体结构）则与延展性相关[16]、[17]、[18]。后续研究关注了中程有序性，发现类二十面体结构形成了相互穿插的网络，构成了金属玻璃的骨架[19]、[20]、[21]、[22]。研究表明，类固体结构的形成与特定原子种类有关，例如Cu-Zr-Al金属玻璃中的Cu和Al、Ni-Co-Al金属玻璃中的Ni和Al、Zr-Nb金属玻璃中的Nb等[11]、[14]、[23]，这虽然提高了强度，但也增加了剪切带的形成倾向。

大多数研究集中在通过改变原子组成来研究单一金属玻璃系统，如Cu-Zr和Cu-Zr-Al金属玻璃，而比较不同原子种类金属玻璃的研究相对较少[24]，尽管文献中也有一些相关研究。例如，有研究评估了通过压力促进方法对九种不同原子组成的金属玻璃的恢复能力，其中Al₉₀La₁₀金属玻璃的能量状态提升最为显著。研究还发现，原子大小和原子间相互作用对恢复程度有重要影响[25]。另一项研究表明，基于Al–Cu–Ni的金属玻璃在拉伸载荷下主要通过剪切局部化而失效，表现出有限的塑性变形。在所研究的组成中，Ni–Al–Co金属玻璃显示出最高的强度和刚性，其机械性能随应变率的增加而提高，优于Cu–Zr–Al和Fe–Cu–Ni金属玻璃[26]。此外，变形过程中较大原子种类会向剪切带的中心区域聚集，如在A₉₀B₁₀组成的金属玻璃（如Al₉₀Sm₁₀、Cu₉₀Zr₁₀、Ni₉₀Zr₁₀、Mg₉₀Y₁₀）中观察到的现象。这些结果表明，原子种类的聚集动态强烈依赖于合金类型和剪切率，揭示了金属玻璃中剪切诱导的扩散、对流和原子尺度异质性之间的相互作用[27]。从头算分子动力学模拟表明，类二十面体多面体的比例可以作为预测Al–Sm–X（X代表Al、Cu、Ag、Au）金属玻璃玻璃形成能力（GFA）的可靠结构指标。类二十面体比例与临界冷却率之间的强相关性表明，这一参数可以有效地用于筛选和设计具有增强GFA的金属玻璃[28]。

在这项工作中，我们利用分子动力学模拟研究了七种具有不同化学成分和基础元素的金属玻璃的机械响应和潜在结构特征。分析了单轴压缩试验，并通过杨氏模量对应力-应变曲线进行了标准化处理，以便在不同合金之间进行一致的屈服应力、最大强度、流动行为、恢复率和韧性比较，而不受绝对刚度差异的影响。除了传统的结构指标外，还系统评估了包括势能、自由体积、局部配位、类固体多面体比例以及由相互连接的多面体构成的中程有序网络等原子尺度指标。通过相关性分析和成对图谱映射，确定了与机械性能密切相关且不受化学性质影响的结构指标。这种统一的机械-结构框架能够独立于化学成分，评估局部堆积、自由体积和中程网络拓扑如何共同影响金属玻璃的机械响应，为研究不同合金系统的结构-性能关系提供了通用方法。

部分内容摘录

分子动力学模拟

分子动力学模拟使用了大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）[29]、[30]进行。整个过程中采用了1飞秒（fs）的积分时间步长。为了模拟不同的金属玻璃合金，选择了多种原子间势能模型，这些模型基于嵌入原子法（EAM）[31]、改进的嵌入原子法（MEAM）[32]或角度依赖势能（ADP）[33]开发，这些都是EAM框架的扩展。

机械特性

为了比较不同金属玻璃的机械响应，我们分析了通过分子动力学模拟得到的Cu₅₄Ag₄₆、Cu₆₄Zr₃₆、Ni₁₅Co₁₅Al₇₀、Cu₄₃Zr₄₃Al₁₄、V₅₀Al₅₀、Zr₂₀Nb₈₀和Zr₈₀Pt₂₀的压缩应力-应变行为。由于不同原子种类的影响，应力和应变的绝对值可能存在较大差异，导致键长、密度、SRO（短程有序性）和MRO（中程有序性）等物理特性存在较大分散，因此所有曲线都通过相应的杨氏模量（$E$）进行了标准化处理，以便进行更准确的比较。

结论

分子动力学模拟用于研究七种不同金属玻璃的机械响应和潜在结构特征。通过杨氏模量对应力-应变曲线进行标准化处理后，发现这些金属玻璃的强度存在明显的排序，从Cu₅₄Ag₄₆（最弱）到Zr₈₀Pt₂₀（最强）。这种排序在所有机械性能指标（屈服应力、最大应力、流动应力、恢复率和韧性）中都是一致的。

结构分析进一步揭示了...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了2023年“常规研究项目竞赛”（代码LPR23-05）的支持，由智利都市技术大学提供。本研究部分依赖于NLHPC（ECM-02）的超级计算基础设施。