金属玻璃作为一种仅有几十年历史新型合金材料,以其独特的力学和磁学特性在众多结构和功能材料族群中占据重要位置。由无序结构和金属键合带来的高理论强度和大弹性极限使得金属玻璃能够在精密仪器、航天军工等高端制造业大有用武之地。但因材料成本昂贵,制备工艺复杂,金属玻璃在普通民用工业中的应用受到很大的限制。再加上这种材料长久以来难以破除的性能缺陷——塑性不足,廉价强韧的金属玻璃一直是理想结构材料的绝佳候选。锆基金属玻璃可以在相对容易的工艺条件下制成较大尺寸的块体材料,其中Zr-Co-Al三元合金又是为数不多的成分简单却可得到大块金属玻璃的合金体系。本文以具有代表性的Zr56Co28Al16成分为起始点,通过调节两种主要元素的原子配比,研究玻璃形成能力和力学性能随之变化的规律,并借助结构分析手段挖掘其各种性能变化出现的根本原因。在对ZrxCo84-xAl16(x = 48-72)等不同成分的合金尝试进行铜模吸铸实验后发现,Zr元素含量在x = 51-58范围内的合金可以吸铸直径2毫米以上的金属玻璃棒,最佳成分点为Zr55Co29Al16和Zr56Co28Al16,最大可以得到7毫米直径的非晶圆棒。DSC实验测得的Trg和γ等热力学判据与实际吸铸得出的临界尺寸分布之间的关系并不明显。而硬度、模量等力学参数随Zr含量增加逐渐下降,与玻璃转变温度Tg变化趋势相同。另一方面,三点弯曲实验界定的塑性分水岭十分明确,恰在最佳成分点Zr55Co29Al16之前,塑性仅出现在高Zr含量的成分中。断口形貌也以断裂机制的转变进一步验证了塑性突变的存在。纳米压痕实验补充说明了脆性断裂的样品其真实强度并不低于出现塑性的高Zr含量合金,且随Zr增多Co减少亦呈现下降态势,与其它实验的结果保持一致。在结合同步辐射实验测出的高能X射线衍射谱和扩展X射线吸收精细结构谱以及第一性原理分子动力学模拟得到的原子构型数据比对分析后不难看出,特定原子团簇的急剧变化最可能是玻璃形成能力转折点和塑性突变点存在的起因。三种不同原子所处环境的微妙变化均可能改变结构稳定性或影响剪切转变区的形成。比如,Zr含量增加时Zr-Co键键长变小,以Co为中心的高配位原子团簇<0,2,8,1>、<0,3,6,2>和<0,3,6,3>迅速减少,起框架作用的Zr、Co原子趋于紧密化排列,局域结构愈发稳定,因此玻璃形成能力逐步增强;但是,当继续增加Zr元素含量至x = 58时,Zr-Co的结合在达到临界稳定状态之后发生逆转,Zr和Al原子低配位团簇<0,1,10,2>相较x = 56成分增加了不止一倍,迫使原先趋向稳定的致密结构反向变化,直接导致了 x>56的金属玻璃在形成能力上出现骤降。同样,塑性的奇特变化也可从原子结构层面找到原因,Zr添加的前期,小原子Co的9配位和A1的11配位团簇稳步增加,这些含量变多的低配位区域为金属玻璃剪切转变区形核提供了更多点位,当Zr的含量增加到一定程度,可观的塑性已显现在三点弯曲实验的结果上;继续增加Zr的比例,虽然Co、Al小原子配位数不再下降,但是因另一些10配位的Co原子团簇和14配位的Zr原子团簇出现增长而弥补了低配位原子组态的缺失,使得处在高Zr区的成分得以稳定维持材料塑性。至此,本文所研究的Zr-Co-Al金属玻璃宏观性能与微观结构从结果和原因上构成一个整体。