项目名称块体非晶合金的原子结构与强韧化机理

项目名称：块体非晶合金的原子结构与强韧化机理

推荐单位：北京科技大学

项目简介：

块体非晶合金（BMG）具有传统材料无法实现的高比强度、大弹性变形、耐蚀耐磨、优异软磁等优异性能。在航空航天、精密机械、能源化工、信息和生物材料等领域都显示出了重要应用价值。

BMG的优异性能在于其特殊的原子排列结构，但目前人们对这方面的认识还很不清楚。因此，2005年《Science》将玻璃转变和玻璃的结构本质列为人类面临的125个主要科学问题之一。另一方面，BMG以其高强度而引起人们的关注，但受载时又很容易发生非均匀变形而突然脆断，严重限制了它在工程领域的运用。因而如何提高BMG的强韧性成为人们最关心的问题之一。

为此，我们在"863"、"973"、国家自然基金和教育部创新引智计划等项目支持下，利用高分辨电镜和同步辐射等技术、逆蒙特卡罗模拟和第一性原理分子动力学（AIMD）等方法对BMG原子层次上的堆垛结构进行了深入研究。同时，系统研究了含纳米、微米级晶体相的BMG强韧化和加工硬化问题，发展了一系列新型高性能块体非晶合金复合材料。该成果创新点如下：

1．创新性地运用AIMD等先进计算模拟方法，解决了多组元BMG原子结构难以准确描述的难题。在分析大量BMG中原子分布规律的基础上，提出了非晶合金原子堆垛普适模型。揭示了非晶原子堆垛是在球周期对称分布上叠加中程序尺度上的一维平移对称分布。这种呈壳层状分布的原子堆垛规律不受非晶合金组元种类、原子尺寸以及组元之间的化学作用等因素影响，代表了非晶合金原子结构上的一个普遍特征。由此，非晶转变是由液体结构对称转变到非晶结构对称的过程。并在分析大量BMG结构和性能数据的基础上，提出了非晶合金的结构性能关联。

2．通过在BMG中引入"形变诱导相变"的概念，内生形成了可在形变下产生马氏体相变的晶态增强相，研制出了具有大拉伸塑性和加工硬化能力的BMG复合材料。并发现通过对亚稳母相层错能的调控可以优化复合材料性能，非晶复合材料中的形变诱导相变表现为应变控制的马氏体相变特点，复合材料的加工硬化来源于晶态增强相对于非晶基体应变软化的有效补偿。该结果被Science发文评述认为：“相变韧塑化非晶复合材料极大的提升了非晶合金的潜在结构应用，并开辟了一个新的科学研究方向”。同时被Nature出版集团-亚洲材料（nature publishing group (npg)-Asia Materials）评述为近期材料领域的研究焦点之一，评述中称“该论文为在其它合金体系中开发大韧塑性非晶合金材料提供了一种新的思路，并对非晶态合金材料的实际工程应用起到极大的促进作用”。

3．揭示了非晶复合材料中非晶基体、不同特征晶态相的竞争机制和组织调控机理，阐明了非晶复合材料组织中稳态及亚稳相生产的热力学和动力学条件，通过合金化、控制凝固改变晶体相的析出趋势、晶格错配度、形核核长大特征，研究了不同特性晶态相、以及不同体积分数、分布状态对非晶复合材料整体力学性能的影响，开发出了组织、性能可控，具有实际应用价值的大尺寸块体非晶复合材料。

该项目发表学术论文189篇，总引用2902次。在Advanced Materials、Physical Review Letters等一流期刊发表的8篇代表论文被SCI 引用746次，他引582次，单偏他引最高160次。项目成果被邀请在包括国际块体非晶大会50分钟大会主旨报告在内的国际会议特邀报告20余次。或国家发明专利22项。获国际权威学者在Science、Progress in Materials Science、MaterialsToday等期刊上正面评述10余次。

主要完成人及学术贡献

吕昭平：

提出了总体学术思想和制定了总体研究方案，特别在非晶合金原子层次上的结构本质和非晶合金的相变韧塑化方面。作为学术带头人，以教育部长江学者特聘教授岗位为契机，近一步加强了梯队建设，形成了一支分工合理、技术互补的学术群体，本人借助国家杰出青年基金、973课题等经费的支持，在本项目中具体负责块体非晶合金的变形及强韧化机理的研究，并参与了对非晶合金原子结构、复合材料应用开发等方面的探索。利用“形变诱导相变”的学术思想，成功地研制出在拉伸加载模式下具有加工硬化和稳定塑性形变的非晶块体复合材料，研究了其生成的热力学和动力学条件以及通过层错能优化非晶复合材料的方案；为解决非晶合金室温脆性这一难题提供了新思路。代表性论文1、2、6、8的通讯作者。

惠希东：

在非晶原子堆垛结构表征和Mg基非晶复合材料研制方面均有贡献：创新性地运用了第一性原理分子动力学(AIMD)模拟方法，解决了长期困扰人们无法对多组元非晶合金结构准确描述的难题，获得了具有高非晶形成能力的多组元合金的原子排列结构特征，从根本澄清了具有高非晶形成能力的多组元合金的原子排列结构特征。在Mg基块体非晶合金中，通过合理添加Cu, Y , Zn 元素、严格控制Y与Zn的比例以及凝固条件，成功研制出了长周期结构增韧的Mg 基块体非晶合金基内生复合材料，突破了Mg基非晶合金脆性大的瓶颈，为Mg基块体非晶合金的应用打下了坚实基础。代表性论文3、7的第一作者。

吴渊：

参考TRIP钢中"形变诱导相变"的学术思想，作为主要完成人之一，成功地研制出在具有较大拉伸塑性和明显加工硬化能力的非晶态合金复合材料，为该方面研究的一个突破，并为解决非晶合金室温脆性和应变软化的难题提供了新的途径。详细研究了TRIP效应韧塑化非晶合金生成的热力学和动力学条件，提出了通过调控层错能优化TRIP效应韧塑化非晶复合材料的方案。是代表论文1，2，8的第一作者。

刘雄军：

主要在块体非晶合金的原子堆垛结构方面作出了重要贡献。在合金体系的具体设计与选择、实验和计算模拟方案的制定、实施以及结果的分析讨论等方面进行了工作。对提出非晶合金原子堆垛普适模型、揭示非晶合金结构性能关联，建立非晶合金的原子尺度自由体积与有序原子团簇相结合的结构模型，从而揭示非晶结构原子尺度上的不均匀性方面的成果都有重要贡献。代表性论文6的第一作者。

张勇：

主要贡献是采用定向凝固的BRIDGMAN技术，通过控制冷却条件，（包括温度梯度和生长速率），使的树枝晶非晶复合材料的树枝晶固溶体在整体的断面均匀分布并可控，减少了由于金属模铸造冷却速率在表层和芯部不同、并容易产生气孔的问题。此外，也调节第二相的体积分数及尺寸大小，进而调节第二相可以使得裂纹前沿塑形区阻碍裂纹的快速扩展，以及第二相阻碍剪切带的快速扩展，提出了非晶合金复合材料加工硬化和软化的机制模型。代表性论文4、5的通讯作者。