晶態(tài)固體的力學(xué)性能與塑性變形主要由結(jié)構(gòu)缺陷,比如位錯的運動決定.而在非晶態(tài)固體中結(jié)構(gòu)如何決定性能,仍然是固體力學(xué)、材料學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)共同關(guān)心但尚未解決的核心問題之一.傳統(tǒng)材料學(xué)研究的經(jīng)典范式為"結(jié)構(gòu)決定性能".遵循這一信條,已經(jīng)有大量的實驗表征與理論、模擬研究,嘗試將非晶態(tài)固體的某種結(jié)構(gòu)特征與性能建立一一對應(yīng)關(guān)系.但是,科學(xué)界對于非晶固體結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系成立與否,以及背后隱藏的規(guī)律知之甚少.本文針對非晶態(tài)固體的變形機制以及其微結(jié)構(gòu)特征,基于分子動力學(xué)模擬,定量評估短程簡單結(jié)構(gòu)與中長程復(fù)雜結(jié)構(gòu)在決定非晶態(tài)固體動力學(xué)性能方面的效用.通過海量抽樣每種具體玻璃結(jié)構(gòu)的激活能（標(biāo)識激發(fā)難易程度）,嘗試將結(jié)構(gòu)參數(shù)與激活能建立定量關(guān)系,從而揭示出非晶態(tài)固體結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的隱藏主控因素為結(jié)構(gòu)的空間關(guān)聯(lián),受限比幾何結(jié)構(gòu)本身更關(guān)鍵.只有某種結(jié)構(gòu)在空間上呈現(xiàn)亞納米級的空間關(guān)聯(lián)長度,這種完備結(jié)構(gòu)才有可能有效地決定非晶態(tài)固體的力學(xué)性能,而短程簡單結(jié)構(gòu)則無效.進(jìn)一步,給出了評價非晶態(tài)固體結(jié)構(gòu)預(yù)測性能有效性的普適定量方法,為建立廣義無序物質(zhì)的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了篩選準(zhǔn)則. 

【文章來源】：力學(xué)學(xué)報. 2020年02期 北大核心

【文章頁數(shù)】：15 頁

【部分圖文】：

典型CuZr二元金屬玻璃黏度的空間分布.由于微觀結(jié)構(gòu)不均勻,動力學(xué)性質(zhì)具有顯著的空間漲落特征,同時存在類固體和類液體區(qū)域

其中,v和u表示原子類型(Cu或者Zr),ρv是v類型原子的數(shù)密度,giuv表示u類型的原子i和ν類型的其他原子之間的局部徑向分布函數(shù)(radial distribution function,RDF),rcutoff是積分的截斷半徑.兩體過剩熵是過剩熵有限項展開后的兩體部分,為過剩熵最主要的部分,它表示由于原子位置的相互關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的相對于理想氣體狀態(tài)的熵?fù)p失.因為平衡態(tài)理想氣體熵最大,非晶態(tài)固體中的原子級別過剩熵總是負(fù)值,絕對值越大,則該原子越有序.它曾被應(yīng)用于預(yù)測玻璃形成液體的擴散行為和不均勻動力學(xué),以及軟膠體玻璃的局部粒子重排[68].因此,它可以作為一種純結(jié)構(gòu)參數(shù)來探索可能的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián).除此之外,由于積分截斷半徑的選擇具有靈活性,該自由度為檢測空間關(guān)聯(lián)在調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系中的重要作用提供很大可能性.2.2 熱力學(xué)指標(biāo)

ART算法的核心思想如圖3所示.產(chǎn)生事件以評估其激活能的過程包括3個基本步驟[97].首先,從一個局部勢能最小點開始,以隨機方向擾動某一集團原子使其離開勢阱;然后,基于Lanczos算法,通過Hessian矩陣求解,評估可能能量路徑的最弱方向,即能量曲面的最小弧度方向,并沿該方向收斂到鞍點,鞍點能量與初態(tài)狀態(tài)的勢能相比,獲取該事件激活能;最后,將狀態(tài)弛豫到一個新的相鄰局部勢能最小態(tài).本文所采用的ART nouveau(ARTn)程序抽樣激活能的計算參數(shù)設(shè)置如下.初始擾動以隨機位移的方式施加到單個或集團原子上,擾動位移的大小固定為0.1?,擾動方向隨機選取.位移增量設(shè)定為0.15?.為了限制激活作用到單個原子,從而得到原子量級的激活能,設(shè)置的擾動截斷距離為2?(小于體系RDF第一峰的位置約2.8?).激活能為鞍點態(tài)和初始能量最小點之間的能量差.當(dāng)搜索的PEL片段曲率小于-0.30 eV/?2時,認(rèn)為系統(tǒng)逃出勢阱.之后沿著Hessian矩陣最小特征值方向推向鞍點.當(dāng)系統(tǒng)中任何原子的受力均小于0.05 eV/?時,系統(tǒng)達(dá)到鞍點態(tài).

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]非晶合金“拉伸轉(zhuǎn)變區(qū)”模型[J]. 蔣敏強,戴蘭宏.  科學(xué)通報. 2017(21)



本文編號：2938840