循环载荷下Cu-Zr基非晶合金中Al调控的差异化结构演化与 rejuvenation 机制研究

为解决非晶合金（MGs）室温脆性及结构 rejuvenation 机制单一性问题，研究人员通过分子动力学模拟，对比研究了Cu46 Zr54 和Cu46 Zr46 Al8 在循环载荷下的结构演化。发现Al添加通过调控局域键合环境（SRO/MRO）和降低二十面体序（ΔFp =-1.75%），提出“有序结构储能”新机制，挑战了传统无序化 rejuvenation 理论，为工程应用提供新思路。

　　

在材料科学的前沿领域，金属玻璃（Metallic Glasses, MGs）因其独特的非晶态结构和优异的力学性能备受关注。与传统晶体金属相比，金属玻璃具有更高的强度、更大的弹性极限和出色的耐腐蚀性，被誉为“未来材料”。然而，这类材料在室温下表现出的高脆性却成为制约其工程应用的“阿喀琉斯之踵”。过去的研究表明，通过 rejuvenation（ rejuvenation ，指通过外力或热处理使材料能量状态升高）处理可以改善金属玻璃的塑性，但传统观点认为这一过程必然伴随结构无序化和自由体积增加。这一认知在Cu-Zr-Al三元体系中被颠覆——广东某高校团队的最新研究发现，铝元素的加入竟能通过“高度有序化”实现能量存储！

为了揭示这一反常现象，研究团队采用分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）技术，以Cu₄₆
Zr₅₄
二元合金和Cu₄₆
Zr₄₆
Al₈
三元合金为研究对象，在弹性极限内施加正弦波式拉伸-压缩循环载荷。通过分析势能变化、自由体积、径向分布函数（RDF）以及短程有序（Short-Range Order, SRO）和中程有序（Medium-Range Order, MRO）结构演化，首次发现两种合金的 rejuvenation 机制存在本质差异：二元合金通过Cu原子主导的二十面体簇重构（ΔF_p
=+0.36%）储能，而三元合金则因Al原子调控导致二十面体序降低（ΔF_p
=-1.75%）。这一发现发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》，为金属玻璃的变形理论开辟了新范式。

关键技术方法
研究使用LAMMPS软件包进行分子动力学模拟，采用Mendelev开发的Cu-Zr二元体系嵌入原子法（EAM）势函数和Sheng优化的含Al EAM势函数。模型经熔体淬火获得非晶态结构，施加应变幅值±3%、频率1×10⁹
Hz的循环载荷。通过Voronoi多面体分析量化二十面体序参数，采用原子应变张量表征局部变形。

研究结果

Potential energy variation
循环载荷使两种合金势能显著升高，但Cu₄₆
Zr₄₆
Al₈
在初期增速更快，而Cu₄₆
Zr₅₄
在后期达到更高饱和势能（+0.37%）。这表明Al加速初期 rejuvenation ，但Zr主导体系具有更高储能潜力。

Conclusions
研究证实Al通过改变局域键合环境调控结构异质性：在Cu₄₆
Zr₄₆
Al₈
中，Al破坏原有二十面体网络，形成更多低对称性团簇；而在Cu₄₆
Zr₅₄
中，Cu原子通过重构完美二十面体实现能量存储。这一发现颠覆了“ rejuvenation 必伴随无序化”的传统认知，证明高度有序结构同样可作为储能载体。

意义与展望
该研究不仅为理解金属玻璃的变形机制提供原子尺度见解，更指导了新型高塑性合金设计——通过精准调控Al含量，可平衡二十面体序与结构异质性，实现“强韧协同”。团队提出的“有序结构储能”概念，可能拓展至其他非晶体系，推动非晶材料在航空航天、生物医学等领域的应用突破。