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非晶合金材料是近年来伴随着科技高速发展应运产生的一种新型材料,其基本结构为长程无序排列的金属原子,同时具备金属材料良好塑性、导电特性和玻璃材料耐腐蚀、硬度高的特征,因而在微电子、耐腐蚀涂层、光电催化、微结构材料等领域具有很好的应用前景。无论是作为功能性材料还是结构性材料,非晶合金在工程应用中不可避免地面临复杂的力学环境,使得其变形机制和力学性能研究成为非晶材料科学研究中的重点和热点。其中,非晶材料变形机制和微观结构之间的关联是破解其力学本质的关键。传统力学测试方法采用离位观测手段难以对非晶材料微结构转变和力学行为间关联进行研究。先进观测技术的发展,可实现对非晶材料进行纳米级原位力学测试,并观测材料局部微观结构演变,有力促进了非晶微观力学研究。但此类测试手段对仪器先进度依赖性高、测试成本高、测试环境要求高,面对非晶合金材料多样化参数(如变形速率、温度、剪切带交互)研究的迫切需求十分受限。针对上述非晶合金材料微纳米级别力学性能及变形行为研究的迫切需求,以及原位测试技术先进度依赖高、测试成本高、测试环境苛刻的矛盾,本文采用分子动力学模拟方法,以Cu-Zr二元非晶合金材料为主要研究对象,围绕非晶合金压痕测试响应开展了以下研究工作。(1)建立Cu-Zr二元非晶合金模型,并进行分子动力学压痕模拟。对非晶合金进行二维圆柱和三维球头压痕模拟,通过Hertz接触分析等方法获取两种模拟方式材料屈服强度、弹性模量、硬度等信息,并进行对比。两种压痕模式下得到的力学材料参数基本相同,表明在对非晶合金材料使用球形压头进行压痕测试模拟中,二维模拟在材料力学参数计算中能够取代三维压痕模拟,使用有限的计算资源获取有效物理信息。对非晶合金制备参数以及压痕测试参数进行研究,结果表明非晶合金制备参数,如冷却速率、组分等,主要通过改变非晶材料中主要SRO结构组成和比例,来影响非晶合金力学性能;压痕速率和压头尺寸等测试参数,通过改变非晶合金原子流变特性来影响测得力学参数。(2)使用分子动力学方法对非晶合金在单轴预拉伸/压缩应变下压痕过程进行模拟,研究预应力对非晶合金材料力学性能和变形模式的影响。通过圆柱-平面Hertz接触理论对预应力的影响进行理论分析,并通过压痕区域剪切带形貌变化研究预应力对压痕过程变形模式的影响。研究结果表明,预拉应力对非晶材料压痕的影响高于预压应力:拉应力越大,材料压痕中屈服越早发生,屈服应力越小,硬度也越小;而预压应力对材料压痕的影响有一个临界值,当超出该临界值,预压应力对材料压痕获取力学的影响从“硬化”转为“软化”。另外,预应力的大小同样会影响材料变形过程中剪切带形貌及扩展方式。对材料施加的预应变超出一定范围后,压痕过程中出现单一剪切带自发性扩展行为,材料变形模式由塑性变形转变为剪切带脆性扩展。使用能量法对该模式转变现象进行分析,认为预拉伸/压缩过程中材料积蓄的势能超过剪切带产生所需变形能时,材料在后续压痕中会出现脆性变形。(3)对非晶合金进行循环压痕模拟及熨压-压痕模拟,研究塑形变形对非晶合金压痕力学行为及流变路径的影响。通过循环压痕研究Cu-Zr非晶合金由循环压痕加载导致的硬化行为。在非晶合金循环压痕加载下对比压痕硬度等参数,结果表明循环硬化现象依赖于循环压痕载荷幅度。通过监测von Mises剪切应变,原子轨迹和Voronoi原子体积,发现硬化行为主要是由循环压痕过程中不可逆剪切应变的累积引起的。此外,对温度和加载速率对硬化效应的影响进行研究,在较高温度下,非晶塑形得到改善,同时硬化现象变得更加明显,在较低加载速率下,非晶材料倾向于发生局域化的不均匀性变形,因此硬化现象减弱。对非晶合金进行的熨压处理模拟表明,通过熨压处理可使试件表层或亚表层产生一定剪切形变,从而影响材料表面压痕力学性能。(4)根据非晶合金易脆易断裂的力学特点,设计由Cu-Zr非晶合金层和单晶Cu层组成的复合层材料(ACNL),以提高非晶材料变形塑形。对ACNL进行并联、串联两方向剪切模拟,结果表明两种变形模式下得到的模拟结果在屈服机制、塑形变形机制以及ACI协同作用上都有区别。在并联剪切变形模式下,ACNL的屈服与晶体层位错滑移的触发相关,其塑形变形由晶体层位错滑移以及非晶层中剪切带变形共同作用;串联剪切变形模式中,材料的屈服强度和塑性变形主要由非晶层决定。改变晶体层与非晶层的比例,研究表明随着晶体层厚度的增加,ACNL两变形模式下剪切弹性模量和剪切强度都有增加,并且由于尺寸效应的影响,ACNL剪切弹性模量的改变并不完全符合复合材料混合规律。另外,对ACNL进行压痕测试模拟表明,晶体层中位错滑移等变形通过ACI很容易影响非晶层中剪切带形成,据此可实现对非晶层材料塑形调控。本文通过分子动力学模拟方法,对非晶合金材料在多样测试环境,以及预应力、预变形等外界载荷因素下压痕响应进行研究,并揭示其在复杂载荷因素下微纳米级微观力学响应及变形机制,为非晶合金及其衍生材料制备研发、测试研究、工程应用提供研究基础。