镍-铝金属玻璃微纳加工开题报告

全文总字数：6447字

1. 研究目的与意义（文献综述）

金属玻璃作为一种新型材料，结合了金属和玻璃各自的优点，又克服了它们的缺点。它没有可以供识别的微观结构，如晶界和位错[1]，这造就了它优异的强度和一定的韧性刚性[2-5]。正是由于它展现出极高的强度、耐磨性、软磁性等特点，使得金属玻璃在军事、航太、医疗等领域得到广泛运用[6, 7]。除此之外，金属玻璃的弹性模量比晶态合金略低，在外力作用下应变不均勾，受疲劳应力时裂纹容易形核，疲劳寿命较低。因此，非晶态合金一般不能单独用作结构材料

近年来，越来越多的国内外研究者将其目光投入到金属玻璃上，围绕其微观结构、加工机理、断裂机制和剪切带转变等方面开展了一系列研究，取得了多项研究成果。在元素组成方面，Malekan等人研究了Er的加入对Cu₅₀Zr₄₃Al₇大块金属玻璃(BMG)的形成能力(GFA)、力学性能和结晶动力学的影响[8]。Li等人研究了以银代替铁对Zr₆₀Cu₂₅Al₁₀Fe_5-xAg_x (x=0,1,2,3,4,and 5)大块金属玻璃(BMGs)的玻璃形成能力(GFA)、结晶动力学和力学性能的影响[9]。Duan等人研究了氢对锆基金属玻璃复合材料的力学性能和微观结构演变的影响[10]。在不同加载环境方面，Kang等人研究了不同压力下Zr₅₀Cu₅₀金属玻璃（PQMGs）的力学行为[11]，Xie等人通过弯曲试验、拉伸试验和维克斯压痕试验，对铁基金属玻璃力学性能和塑性变形行为进行了系统的研究[12]，Mo等人通过分子动力学模拟，系统地研究了冷却速率和液体温度对复合材料微观结构和力学性能的影响[13]。在处理工艺方面，Hua等人研究了热处理对亚共晶Zr₆₈Al₈Ni₈Cu₁₆大块金属玻璃(BMG)的微观结构、结晶动力学、力学性能和耐腐蚀性能的影响[14]。在缺口敏感性方面，Yang等人了研究了单原子钽金属玻璃的狭缝方向和分布规律及其力学性能和变形行为[15]。在不同纵横比方面，Yu等人研究了不同纵横比下金属玻璃中二十面体的再生演变情况[16]。然而，上述研究主要集中在金属玻璃的力学性能和形成过程，而在合金金属方面，如Cu、Ni等方面的纳米切削研究就很少，且两相的金属玻璃切削更是少见。随着金属玻璃的普及和广泛应用，对于金属玻璃和单晶混合材料的纳米加工研究就显得非常有必要。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目的

分子动力学仿真方法是研究材料纳米尺度下变形行为、纳米机械性能、材料去除机理的一种重要方法。针对非晶合金材料的性能，选用一种典型的Ni₃Al金属玻璃与单晶，进行分子动力学纳米压痕和纳米切削分子动力学仿真。因此，本文的研究目的是采用MD方法探究Ni-Al金属玻璃及单晶混合材料的纳米切削现象和机理。通过构建两种模型，详细地研究界面对切削加工的影响。同时，研究不同的切削深度和切削速度过程中的切削力变化和shearband演化的影响机制，并进一步分析各种二十面体团簇的种群和分布对加工性能产生的影响。通过上述研究，为镍基金属玻璃以及金属玻璃与单晶混合材料加工方案的制订提供了理论指导。

2.2 主要研究内容

本论文的主要研究内容如下：

（1） Ni₃Al金属玻璃与单晶混合材料不同一般的晶体材料，其建模较为复杂。本文首先介绍了其建模过程。在切削仿真过程中，由于运用了势函数，同时也对其做了简单的介绍。

（2） 针对Ni₃Al金属玻璃与单晶混合材料的纳米切削仿真过程，首先进行了切削过程中材料的应力数据采集整理，研究了切削过程应变分布以及“剪切转化区”的形成和发展；然后探究了纳米切削过程中二十面体的变化，并以此分析应力的变化。

（3） 研究不同切削仿真条件对Ni₃Al金属玻璃与单晶混合材料纳米切削的影响。分别进行了切削深度为14、21、28，切削速度为50、100、200m/s的仿真，分析了不同条件对切削过程中载荷、原子堆积和切屑形成等产生的影响。

（4） 研究界面对刀具切削的影响。根据刀具切削所产生的应力变化，二十面体变化，以及shearband 的形成转化，分析金属玻璃与单晶的之间的界面对刀具切削会造成的影响。

2.3 研究采用的技术方案及措施

本研究的MD模型是使用LAMMPS建立的[17]，包括工件和刀具两部分，并利用OVITO软件来增强原子数据的可视化[18]。为了探究切削金属玻璃和切削金属玻璃与单晶两种不同情况并对比，我们建立了两种不同的模型（Model1 and Model 2）来模拟MD纳米切削，如Figure·1所示。刀具为带有圆角的金刚石刀具，而工件的尺寸均为40.2×4.5×20.3nm。Model2的单晶区域有x-[1,0,0]，y-[0,1,0],z-[0,0,1]三种晶体取向，并在（0,0,1）平面上模拟了[1,0,0]方向的切削。从左往右，将模型分为固定层、恒温层和牛顿层。在切削模拟过程中，固定层原子均保持不变，工件的温度保持恒定。

Figure·1 原子模型（黑色框为原子模型的局部放大图）

模型首先使用Nose-Hoover恒温器弛豫50ps，使得温度保持在293K恒定，之后再进行切削，而牛顿层的原子均符合牛顿力学定律。Table·1列出了切削的MD模拟条件。

Table·1 切削Ni₃Al的分子动力模拟条件

模拟中采用多个势函数。工件原子之间的相互作用采用EAM势函数[19]

其中嵌入能是原子的电子密度的函数，是对势相互作用参数，和是原子和原子的元素类型参数。

工件原子和刀具原子之间采用Morse势函数

其中是能量函数，是势能曲线梯度系数，是分子作用力为零时的原子之间的距离，为原子和原子之间的距离参数。

Table·2 Morse势函数参数[20]

3. 研究计划与安排

第1-3周完成外文文献翻译以及开题报告

第4-5周完成建模

第5-8周完成实验

4. 参考文献（12篇以上）

[1] h.w. jeong, s. hata, a. shimokohbe, microformingof three-dimensional microstructures from thin-film metallic glass, journal ofmicroelectromechanical systems, 12 (2003) 42-52.

[2] m.d. demetriou, m.e. launey, g. garrett, j.p.schramm, d.c. hofmann, w.l. johnson, r.o. ritchie, a damage-tolerant glass, natmater, 10 (2011) 123-128.

[3] h. guo, p.f. yan, y.b. wang, j. tan, z.f. zhang,m.l. sui, e. ma, tensile ductility and necking of metallic glass, nat mater, 6(2007) 735-739.