【摘 要】
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非晶合金由于独特的原子堆垛结构,使其具有较好的力学性能和特殊的物化性能。通过焊接的方法将非晶与非晶进行连接,能够制备出较大尺寸的非晶合金。但在焊接之后,接头热影响区易出现晶化现象,将导致其失去非晶原有的特殊性能。本文针对非晶合金焊接热影响区的晶化现象,采用分子动力学模拟方法(M ol ecul ar Dyn am i c s,M D)建立三维Zr基非晶合金原子堆垛模型,通过径向分布函数g(r)、H
【基金项目】
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国家自然科学基金(51865029 & 52175324);
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非晶合金由于独特的原子堆垛结构,使其具有较好的力学性能和特殊的物化性能。通过焊接的方法将非晶与非晶进行连接,能够制备出较大尺寸的非晶合金。但在焊接之后,接头热影响区易出现晶化现象,将导致其失去非晶原有的特殊性能。本文针对非晶合金焊接热影响区的晶化现象,采用分子动力学模拟方法(M ol ecul ar Dyn am i c s,M D)建立三维Zr基非晶合金原子堆垛模型,通过径向分布函数g(r)、HA键型指数、Voronoi多面体等方法,分析了Zr-Cu和Zr-Cu-Al非晶体系的晶化过程中原子结构演变、原子扩散迁移,以及部分晶化后力学性能,具体研究内容和主要结论包括以下几个方面。首先,通过改变Zr、Cu原子比构建四种成分的Zr-Cu二元非晶原子体系,在不同温度和高温时间下分析Zr-Cu二元非晶的晶化行为。合金成分对非晶的晶化程度的影响较大,Zr9 0Cu1 0和Zr8 0Cu2 0非晶结构对温度的敏感度较高,在较低温度下能析出晶化相,随着温度升高晶化相含量逐渐增加。当Cu原子占比超过50.0%时,不同温度和时间条件下Zr5 0Cu 50和Zr3 5.5Cu64.5非晶都没有出现晶化相,说明Cu原子含量增加能够显著提升非晶的高温稳定性。通过原子均方根位移(MSD)分析原子扩散,随着温度升高原子的MSD显著增加,说明非晶晶化过程是原子通过短程扩散造成的。静水压力造成非晶内部原子间距缩短和重排,造成成分偏析出现。然后,基于Zr-Cu二元模型建立三种不同合金成分的Zr-Cu-Al三元非晶模型,研究合金成分、温度和高温时间对非晶的影响。相比于Zr-Cu二元系非晶合金,Zr-Cu-Al系非晶热稳定性好,在不同温度作用下没有出现明显的晶化现象。合金成分的差异对非晶原子堆垛结构有较大影响,其中Zr5 0Cu35Al1 5非晶标准和畸变二十面体占比最高,而Zr5 0Cu4 5Al5非晶二十面体占比最低;温度对非晶体系中原子的热迁移作用明显,但不同原子的迁移速率存在差异,原子迁移能力大小为Cu>Al>Zr。最后,研究了晶化程度对非晶压缩和拉伸性能的影响,当体系内晶化相占比较大,其压缩和拉伸的屈服强度都显著增加。分析变形后非晶的应力分布发现,变形后高应力主要集中于非晶相区,而晶化相区的应力值较低;拉伸和压缩变形过程中,非晶体系中的BCC结构逐渐向HCP和FCC结构转变,其中主要转变为HCP结构。其中包括有两类转变模式:即BCC结构直接转变为HCP结构;或BCC结构首先转变为FCC中间结构,然后由FCC结构再转变为HCP结构。本文主要采用分子动力学方法从原子层面对非晶的晶化行为进行研究,揭示了非晶由无序到有序转变过程中,原子排列的演变规律,分析了部分晶化对非晶合金力学性能的影响,本文的研究可为深入认识非晶合金中原子堆垛结构转变和原子的扩散机制提供理论参考,同时对优化非晶合金焊接工艺参数具有一定指导价值。
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