温度梯度下Zr50 Nb50 金属玻璃力学性能退化的分子动力学机制研究

本研究通过分子动力学(MD)模拟，揭示了Zr50 Nb50 金属玻璃(MG)在100-500K温度区间循环载荷下的力学退化规律。发现低温加剧Young's modulus(E)和最大应力(σm )的衰减，而高温原子迁移可缓解损伤；通过剪切转变区(STZ)累积和径向分布函数分析，阐明了温度-结构-性能的关联机制，为金属玻璃疲劳设计提供理论依据。

　　

金属玻璃因其非晶态结构展现出卓越的力学性能，但在循环载荷下的退化机制仍是材料科学领域的重大挑战。尤其温度如何影响这类材料的疲劳行为，现有研究存在明显认知空白。传统观点认为高温必然加速材料失效，但最新模拟研究表明，金属玻璃可能颠覆这一认知——温度升高反而可能通过促进原子重排来缓解损伤积累。这种反直觉现象的背后，隐藏着非晶态材料独特的变形机制。

智利圣地亚哥的Universidad Tecnológica Metropolitana研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表重要成果，选择Zr₅₀
Nb₅₀
金属玻璃作为模型体系，通过分子动力学模拟揭示了温度调控力学退化的原子尺度机制。该合金因其高对称性Voronoi多面体特征成为理想研究对象，而50:50的化学计量比能更好体现成分-性能关系。研究团队采用LAMMPS软件包，运用Starikov-Smirnova势函数，在10¹³
K/s超快冷却速率下制备非晶模型，随后施加4次应变幅度为0.08的压缩循环载荷，温度范围覆盖100-500K。通过分析应力-应变曲线、剪切转变区演化、径向分布函数及Z团簇分布等参数，系统解析了温度依赖的退化规律。

方法论
研究采用分子动力学(MD)这一原子尺度模拟技术，通过LAMMPS平台实现。关键创新在于选用专门针对ZrNb合金开发的Starikov-Smirnova势函数，该势能模型能准确反映非晶态结构的动力学行为。模拟过程严格控制冷却速率超过10¹³
K/s以确保形成均匀非晶结构，应变加载速率设定为10⁹
s^-1
以匹配实验可实现的力学条件。

循环加载
应力-应变曲线清晰展示出循环导致的性能衰退：随着循环次数增加，弹性模量E持续下降，最大应力σ_m
逐次降低，而残余应变ε_r
呈累积增长。特别值得注意的是，100K低温下E值下降幅度比500K高约15%，表明低温环境更易引发材料脆化。

结论
研究证实温度通过双重机制影响金属玻璃疲劳行为：一方面，高温促进原子迁移使STZ更易发生可逆变形，减少不可逆损伤积累；另一方面，径向分布函数分析显示500K时中程有序度降低，Z团簇数量减少，说明高温弱化了非晶骨架的稳定性。这种看似矛盾的现象——高温既缓解损伤又削弱结构——恰恰揭示了金属玻璃独特的"以结构换性能"的适应机制。

Nicolás Amigo等学者的工作首次建立了ZrNb金属玻璃温度-结构-性能的定量关系，其发现不仅解释了温度对非晶合金疲劳行为的非线性影响，更为设计耐疲劳金属玻璃提供了新思路：通过调控成分来优化原子迁移势垒，可能实现宽温域下的稳定力学性能。这项研究将促进金属玻璃在极端环境（如航天器轴承、极地装备等）中的应用突破。