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科研速递|国家超级计算太原中心支撑华中农业大学论文在国际知名核心期刊发表！

山西云时代先进计算分公司

2025-12-31

导读：点击上方“山西云时代先进计算分公司”关注近期，山西医科大学与太原理工大学联合研究团队依托国家超级计算太原中心（

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华中农业大学工学院研究团队依托国家超级计算太原中心（以下简称“太原中心”）提供的强大算力支撑，针对非晶合金室温脆性这一关键技术瓶颈开展研究并取得重要突破。该研究成果在金属间化合物领域国际知名核心期刊《Intermetallics》（2025年第183卷，DOI: 10.1016/j.intermet.2025.108812）发表，太原中心为研究中的分子动力学模拟与大规模数据分析提供了关键超算支持。

论文标题：《Enhanced plastic deformation in amorphous alloys via synergistic effects of hydrogen doping and rejuvenation》《氢掺杂与回春协同作用增强非晶合金塑性变形能力》

研究背景:

非晶合金（又称金属玻璃）具有长程无序的独特结构，展现出优异的强度、软磁性能、耐磨性和耐腐蚀性，在变压器制造、生物医用、催化、辐射防护等领域具有广泛应用前景。然而，非晶合金在室温下塑性极差，易通过局部剪切带变形并发生灾难性脆性断裂，这一缺陷严重限制了其在工程领域的规模化应用。现有改善策略中，氢掺杂虽能提升塑性但效果存在上限，且过量掺杂会导致性能劣化；回春处理可通过提升材料能量状态增强塑性，但二者协同作用对非晶合金力学性能的调控机制尚不明确。

研究目的:

揭示氢掺杂与回春处理协同增强非晶合金塑性变形能力的内在机理，明确氢掺杂含量的临界阈值及回春处理的优化参数，建立非晶合金力学性能的有效调控方法，解决其室温脆性问题，为非晶合金的工程化应用提供理论支撑与技术参考。

研究方法:

采用分子动力学模拟方法，基于LAMMPS软件构建Cu₅₀Zr₅₀非晶合金模型，通过机械研磨法进行不同含量（0.5-7 at.%）氢掺杂改性；采用周期剪切处理（应变振幅11%、周期1 ns、共20个循环）实现非晶合金回春，制备氢掺杂与回春协同处理的复合改性模型；结合OVITO软件进行模拟结果可视化，利用径向分布函数（RDF）、沃罗诺伊（Voronoi）指数分析、非仿射平方位移表征等手段，探究材料微观结构演变；借助国家超级计算太原中心的算力支持，开展大规模原子模拟与数据处理，系统分析氢掺杂含量、回春处理对非晶合金塑性、强度及微观结构的影响规律。

研究结果:

1.氢掺杂含量对非晶合金力学性能呈非单调影响：低含量（≤1.5 at.%）氢掺杂可显著提升塑性，其中1.0 at.%时临界应变达到最大值；过量掺杂（>1.5 at.%）则导致强度与塑性同步下降，7.0 at.%时材料脆性显著加剧。

2.氢原子在非晶合金中呈现选择性分布：优先占据无二十面体有序簇的无序区域，偏好中等势能（-5.5~-4.5 eV）和中等空腔半径区域，且与Zr原子的结合亲和力高于Cu原子，这一分布特性直接影响材料变形机制。

3.周期剪切回春处理可有效提升非晶合金自由体积，与氢掺杂协同作用时，能进一步优化氢原子占位状态，减少有序多面体（如<0,0,12,0>、<0,2,8,2>）含量，促进微观结构向无序化转变。

4.协同处理模型的塑性变形能力显著优于单一氢掺杂模型：相同氢含量下，协同处理模型的流变应力更高，剪切带影响区域更宽，参与剪切变形的原子数量更多，其中1.5 at.%氢掺杂+回春协同处理时，材料均匀塑性变形能力最优。

5.自由体积是调控非晶合金塑性的关键因素：协同处理模型在各氢掺杂含量下均表现出更高的归一化自由体积，且自由体积与塑性变形能力呈正相关，为材料变形提供了充足的微观空间。

研究结论:

氢掺杂与周期剪切回春处理的协同作用可通过调控非晶合金的微观结构与能量状态，实现塑性变形能力的显著增强。低含量氢掺杂通过优化原子分布、阻碍剪切带快速扩展提升塑性，回春处理则通过增加自由体积、促进结构无序化进一步强化这一效果，二者协同实现了非晶合金的强韧化。该研究明确了氢掺杂的临界含量（1.5 at.%）与回春处理的优化参数，为非晶合金力学性能的精准调控提供了新范式，国家超级计算太原中心的算力支持为大规模原子模拟与复杂数据解析提供了核心保障。所建立的协同改性策略为解决非晶合金室温脆性问题提供了有效途径，推动非晶合金在工程领域的应用进程。