基于分子动力学模拟下CuZr金属玻璃的局域连接度对拉伸性能的影响.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属工程N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n gV o l ,N o A p r i l d o i:/j i s s n 收稿日期:基金项目:广东省自然科学基金面上项目(A )F u n d:S u p p o r t e db yt h eN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fG u a n g d o n gP r o v i n c e,C h i n a(A )作者简介:刘嵘康(),男,硕士研究生,主要从事金属玻璃模拟研究.通信作者:付小玲(),
2、女,博士,副教授,主要从事金属玻璃基复合材料、镁基纳米复合材料,第一性原理分子动力学研究,大规模分子动力学研究.引用格式:刘嵘康,付小玲,陈城豪,等基于分子动力学模拟下C u Z r金属玻璃的局域连接度对拉伸性能的影响J有色金属工程,():L I UR o n g k a n g,F U X i a o l i n g,C HE N C h e n g h a o,e ta l E f f e c to fL o c a lC o n n e c t i v i t yo n T e n s i l eP r o p e r t i e so fC u Z r M e t a l l i cG
3、 l a s s e s U n d e rM o l e c u l a rD y n a m i c sS i m u l a t i o n sJN o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n g,():基于分子动力学模拟下C u Z r金属玻璃的局域连接度对拉伸性能的影响刘嵘康,付小玲,陈城豪,李淑娴,张誉瀚(广东工业大学 材料与能源学院,广州 )摘要:二十面体连接网络是由二十面体相互连接而形成的中程有序结构.利用分子动力学模拟方法研究了C u Z r金属玻璃在拉伸过程中的二十面体连接网络的演变.结果表明,二十面体连接网络会因为变形而
4、断裂,从而出现孤立的二十面体,或是转变成其他团簇.高的米瑟斯应力和屈服时更少的连接度数量百分比可以解释C u含量低的样品中的较低强度和良好塑性.此外,在C u含量高的样品中,低连接度在变形后更倾向于向高连接度转变,让样品在变形后仍保持着较高的连接度,呈现为强度高、塑性低的力学性能.关键词:二十面体;中程有序;分子动力学;金属玻璃;连接度中图分类号:T G 文献标志码:A文章编号:()E f f e c t o fL o c a lC o n n e c t i v i t yo nT e n s i l eP r o p e r t i e so fC u Z rM e t a l l i c
5、G l a s s e sU n d e rM o l e c u l a rD y n a m i c sS i m u l a t i o n sL I UR o n g k a n g,F UX i a o l i n g,CHE NC h e n g h a o,L IS h u x i a n,Z HANGY u h a n(S c h o o l o fM a t e r i a l sa n dE n e r g y,G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u ,C h
6、i n a)A b s t r a c t:I n t e r p e n e t r a t i n gc o n n e c t i o no f i c o s a h e d r a l n e t w o r k(I C O I N)i s am e d i u m r a n g eo r d e r e d(MR O)s t r u c t u r ef o r m e db yc o n n e c t i n g i c o s a h e d r a T h e e v o l u t i o no fMR Os t r u c t u r e s i nm e t a l
7、 l i cg l a s s e s(MG)u n d e r t e n s i l ed e f o r m a t i o nw a ss t u d i e dv i am o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n s T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tI C O I No ft h es a m p l eb r o k ed u et ot h et e n s i o n,a f e wo ft h e mb e c a m ed i s c o n n e c t e
8、da n dt u r n e di n t oi s o l a t e di c o s a h e d r a lc l u s t e r so rt r a n s f o r m e di n t oo t h e rt y p e so f c l u s t e r s As m a l l e rq u a n t i t yf r a c t i o no fc o n n e c t i v i t ya ty i e l d i n ga n dh i g h e rm i s e ss t r e s s e sc o u l db eag o o dm a t c
9、hf o r t h e l o w e r s t r e n g t ha n dg o o dp l a s t i c i t yo f t h es a m p l ew i t hl o wC uc o n t e n t I na d d i t i o n,i nt h es a m p l ew i t hh i g hC uc o n t e n t,t h e i c o s a h e d r aw i t hl o wc o n n e c t i v i t yw e r em o r e i n c l i n e dt ot r a n s f o r mt o
10、h i g hc o n n e c t i v i t y,c a u s i n gt h es a m p l e t or e m a i nh i g h e r c o n n e c t i v i t ya f t e rd e f o r m a t i o na n de x h i b i t i n gh i g hy i e l ds t r e n g t ha n d l o wp l a s t i c i t y K e yw o r d s:i c o s a h e d r o n;m e d i u m r a n g eo r d e r e d;m
11、o l e c u l a rd y n a m i c;m e t a l l i cg l a s s e s;c o n n e c t i v i t y第期刘嵘康等:基于分子动力学模拟下C u Z r金属玻璃的局域连接度对拉伸性能的影响金属玻璃(M e t a l l i cG l a s s,MG)又称非晶合金,是急速冷却条件下阻止合金熔体发生晶化而形成的一种玻璃态材料.MG的结构特点为长程无序,短程有序,并且不具备晶体合金中的位错和层错等结构缺陷,使MG具有高强度、高韧性、高弹性极限等优异的性能,被运用于结构材料和电极材料.最早在 年,K R AME R首次利用气相沉积法制备了非
12、晶合金薄膜,拉开非晶合金研究的序幕.为了探索MG结构与性能的关系,在 年,B E R NA L提出硬球无规密堆模型来表征非晶结构.年,F I NN E Y提出原子团簇模型.二十一 世 纪 初,M I R A C L E和S HE NG等在F I NN E Y的基础上,考虑了MG原子尺寸上的区别,提出准团簇密堆模型,他们认为在MG中占主导的是二十面体团簇结构.中程有序结构可以更好地与MG的复杂结构对应,更好地匹配非晶合金的性能.如武振伟等研 究 的 二 十 面 体 局 域 连 接 度(L o c a lc o n n e c t i v i t y)和L E E等 研究中的二十面体结构的 逾 渗
13、 连 接(I n t e r p e n e t r a t i n g c o n n e c t i o n o fi c o s a h e d r a,I C O I),它们的定义都是二十面体的中心原子与另外的二十面体的中心原子成键.该键的数目越多,连接度(N)就越大.而由多个I C O I所形成 的 结 构 称 为 二 十 面 体 逾 渗 连 接 网 络(I n t e r p e n e t r a t i n gc o n n e c t i o no f i c o s a h e d r a ln e t w o r k,I C O I N).L E E等 制 备 了C u
14、Z r 和C u Z r 的 块 状MG,并 进 行 剪 切 试 验;发 现C u Z r MG拥有更高的N,在变形后有更明显的应变局域化倾向和更低的塑性.WAK E D A等 制备了C u Z r 块状MG,并将I C O I N和其他团簇的连接网络进行对比;发现I C O I N具有更高的弹性模量.P E NG等 制备了C u Z r 和C u Z r 薄板状MG,并进行压缩试验;在压缩变形后发现N的减少主要发生在剪切带区域.基于上述背景,本文从不同成分的C u Z rMG入手,采用分子动力学模拟的方法进行单轴拉伸试验,并分析试验中N与应力、应变的对应关系.此外,本文从中程序结构(MR O
15、)的角度来解释MG的力学性能,观察了样品拉伸时I C O I N的变形,总结变形前后N的变化规律.模拟方法本文采用分子动力学模拟方法,利用开源的大规模原子分子并行程序L AMM P S模拟了C u Z r M G、C u Z r MG和C u Z r MG的制备与拉伸试验.原子间相互作用势选用ME N D E L E V等 拟合得到的 合 金 镶 嵌 原 子 势(E m b e d d e d A t o m M e t h o d,E AM).如 图(a)所 示,为 了 得 到C u Z r M G、C u Z r MG和C u Z r MG,构建了一个三维尺寸为 n m(X)n m(Y)n
16、 m(Z)、原子数为 个的纯C u晶体,用不同数量的Z r原子对其中的C u原子进行随机代替,最终得到相应的成分.将确定好成分的模型在 K和外压为零的条件下熔融,并以 K/s的冷却速率快速冷却到K.在此过程中的时间步长为f s,对模型使用等温等压系综(N P T),X、Y和Z方向上使用周期性边界条件(P B C s),通过N o s H o o v e r恒温器进行温度和压强控制.图非晶合金模型的(a)构建和(b)拉伸示意图F i g T h e s c h e m a t i cd i a g r a mo fMGm o d e l(a)c o n s t r u c t i o na n
17、d(b)t e n s i o n在单轴向拉伸模拟实验中,将模型的Y方向改为自由边界条件,在X和Z方向上保持P B C s,自由边界的选取是为了允许模型在自由表面上发生剪切偏移,以促进剪切带的形成.如图(b)所示,沿模型的X方向拉伸,应变速率为 s,拉伸量为.结果与讨论 非晶合金中的MR O图统计的是C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG降温过程中N的变化.在图(a)中,蓝、红和黑三色曲线分别对应的是 、和K的N数量百分比(F(N).随着温度的降低,三个样品中N数量百分比减少,而N的数量百分比均增加.在K时,C u Z r MG和C u Z r MG仍是N和N占大多数
18、;而C u Z r MG占比最多的为N 和N.图(b)统计的是K时C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG的N分布.用N的平均值N来表示N的高低程有 色 金 属 工 程第 卷度,其表达式为:N NF(N).C u Z r MG、C u Z r MG与C u Z r MG在K时的N值分别为 、与 .即随着样品温度降低和C u含量增加,样品的N不断上升.而样品的N越高,原子堆积密度越大,结构更有序、更稳定.图C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG在(a)降温过程中不同N的数量百分比(F(N)变化和(b)K时不同N的数量F i g (a)V a r
19、i a t i o n i nt h ep o p u l a t i o n so fd i f f e r e n tN(F(N)i nC u Z r MG,C u Z r MGa n dC u Z r MGa t c o o l i n ga n d(b)t h ep o p u l a t i o no fd i f f e r e n tNi nC u Z r MG,C u Z r MGa n dC u Z r MGa t K冯米瑟斯应力(M i s e s)被用来表征样品的弹性波动,可以预测弹性阶段时模型在原子应变上的变化,作为样品剪切带行为的前兆,.高M i s e s的区域是剪
20、切转 变 区 域(S h e a rT r a n s f o r m a t i o nZ o n e,S T Z)的潜在形核场所,在拉伸载荷下高M i s e s的区域会优先产生局域变形,导致S T Z的形成,.图显 示 了C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG在K时的I C O I N与M i s e s之间的关系.粉色圆显示了高密度的I C O I N和低的M i s e s;紫色 圆 则 对 应 了 低 密 度 的I C O I N和 高 的M i s e s.I C O I N被看作是MG中的骨架,MG的N越高,所形成的I C O I N越密集,在变形中表
21、现出更高的强度.C u Z r MG中观察到了较低密度的I C O I N,该区域的原子排列相对松散,在M i s e s图上显示出了更多的高应力区,说明该样品在拉伸时拥有更好的塑性.而C u Z r MG情况与C u Z r MG的相反,从而表现出更高的屈服强度.图K时C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG的(a)I C O I N和(b)M i s e s分布图F i g (a)I C O I Na n d(b)t h eM i s e sd i s t r i b u t i o n i nC u Z r MG,C u Z r MGa n dC u Z r MG
22、a t K第期刘嵘康等:基于分子动力学模拟下C u Z r金属玻璃的局域连接度对拉伸性能的影响 非晶合金的单轴向拉伸试验与MR O演变图(a)展 示 了C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG单轴向拉伸试验的应力应变曲线.将样品拉伸过程中N的百分比变化和应力应变曲线相互结合,如图(b)、图(c)和图(d)所示.y为样品的屈服应力,s为样品的流动应力,为二者的差值(ys).通过参数/y来表示样品的应变局域化程度,并以此来衡量样品的塑性,.由插表可知C u Z r MG的 值和/y值最高,表明C u Z r MG有着较高的应变局域化程度,塑性较差.在图(b)、图(c)和图(
23、d)中,C u Z r MG和C u Z r MG中N 的数量在变形后不及应变值()为时的;但在C u Z r MG中N在拉 伸 后 仍 然 保 留 了 较 多 的 数 量,为 变 形 前 的.拉伸后样品中高N的数量百分比可以很好地对应样品的塑性.在拉伸后样品中的高N的数量百分比越少说明更多的区域发生了塑性变形,从而降低了应变局域化程度.图(a)C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG拉伸试验的应力应变曲线,插表展示了屈服应力(y),流动应力(s),应力差值()和归一化应力差值(/y);(b)C u Z r MG、(c)C u Z r MG和(d)C u Z r MG拉
24、伸时N的数量百分比变化曲线F i g (a)S t r e s s s t r a i nc u r v e so fC u Z r MG,C u Z r MGa n dC u Z r MGo nt e n s i o n,t h e t a b l e i nt h e i n s e t s h o w s t h a t y i e l ds t r e s s(y),f l o ws t r e s s(s),s t r e s sd i f f e r e n c e()a n dn o r m a l i z e ds t r e s sd i f f e r e n c e(/y
25、);C h a n g e so fNi n(b)C u Z r MG,(c)C u Z r MGa n d(d)C u Z r MGo nt e n s i o n图展 示 了C u Z r MG、C u Z r MG和C u Z r MG拉伸过程中I C O I N与原子应变的演变过程,其中图(b)为图(a)中红色方框的放大图.在图(a)中,随 着 拉 伸 的 进 行,高 应 变 区 内 的I C O I N不断减少.C u Z r MG和C u Z r MG在屈服后的应力下降阶段,I C O I N进一步被破坏,使高应变区的范围扩大,产生了两个方向的剪切带,而多剪切带的变形模式提高了MG
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