Anisotrope fasetransformatie in B2-kristallijne CuZr-legering

Resultaten en discussies

Stress-Strain Curves

Figuur 2 toont de spanning-rek (σ -ε ) krommen voor B2-fase CuZr onderworpen aan uniaxiale spanning en compressie langs [001], [110] en [111]. Opgemerkt kan worden dat de spanning groter is dan die bij experiment [55], omdat (1) de tijdschaal die wordt gebruikt in MD-simulatie verschilt van die in experiment, wat resulteert in een veel grotere inspringsnelheid dan die in experiment; en (2) de defecten inclusief puntdefect, dislocaties en korrelgrenzen enz. worden niet in aanmerking genomen in de simulaties. In het beginstadium ontwikkelen deze curven zich lineair en vertonen vervolgens verschillende trends. Na de eerste piek kunnen deze curven in drie groepen worden verdeeld. In groep I dalen de curven snel naar lage spanningsniveaus, zoals compressie langs [110] en [111]. In groep II vallen de spanningen naar een platform en fluctueren met de toename van de rek na de eerste piek, zoals spanning langs [001], [110] en compressie langs [001]. De bochten klimmen vervolgens naar hun tweede toppen voordat ze definitief naar beneden vallen. In groep III daalt de curve snel naar lage spanningsniveaus en fluctueert dan in een zigzagpatroon, zoals spanning langs [111]. Vóór de eerste piek blijven monsters in de B2-structuur en kan er geen duidelijke dislocatie-glijden en twinning worden waargenomen, wat kan worden beschouwd als de elastische vervorming. In het lineaire elastische stadium is de Young's modulus E kan worden verkregen door de helling van elke curve in het bereik van 0,00 te passen <ε <0,02 en vermeld in Tabel 1, waar te zien is dat de [001] oriëntatie het zachtst is en [111] het stijfst. Dit komt overeen met de resultaten van bulk-BCC-ijzer [40]. De E van het monster onder compressie is groter dan dat onder spanning, behalve de oriëntatie [001], in overeenstemming met die waargenomen in Cu eenkristal [56], wat moet worden toegeschreven aan de hogere wrijving onder compressie [56]. De rest van de curven in het elastische stadium onder compressie wijken duidelijk af van die onder spanning, wat moet worden toegeschreven aan de asymmetrische trek- en compressiekarakteristiek van de interatomaire potentiaal [57]. Na de eerste piek is het onduidelijk of vervorming moet worden toegeschreven aan dislocatieslip of fasetransformatie; daarom kan deze regio niet worden gezien als inelastische of plastische T/C-asymmetrie, die verschilt met de werken van anderen [57,58,59]. In het vloeiende gedeelte zullen de vervormingsmechanismen van het monster dat in verschillende richtingen wordt belast, in detail worden besproken.

σ -ε krommen van monsters onder spanning (T) en compressie (C). een [001], b [110] en c [111]

Faalgedrag

Figuur 3 toont de atomaire structuren en de radiale distributiefuncties (RDF's) van de monsters die zijn onderworpen aan compressie langs [110] en [111], waarvan σ -ε curven zijn te zien in Fig. 2 aangeduid als [110] C en [111] C. Figuur 3a, d toont de initiële monsters [110] en [111] na relaxatie bij 300 K, waar te zien is dat de atomen in de B2-structuur. Wanneer ε wordt verhoogd tot 0,115 of 0,125 voor respectievelijk [110] C en [111] C, het gebied met gemengde structuren verschijnt, zoals weergegeven in Fig. 3b, f. De structuur in het gemengde gebied wordt gedefinieerd als een gemengde fase. De kiemvorming van de gemengde fase komt overeen met de fase van snelle dalingen van krommen [110] C en [111] C in Fig. 2b, c, die is gemarkeerd met pijlen. Daarom veroorzaakt de transformatie van de lokale structuur van B2 naar een gemengde fase de snelle daling van stress. In de stromende fase is de volumefractievariatie van de gemengde fase het belangrijkste mechanisme om verdere vervorming op te vangen, de lokale structuren in de monsters onder compressie langs [110] en [111] bij ε =0,25 worden respectievelijk getoond in Fig. 3c, g. Om de structuur in het gemengde gebied te specificeren, gebruikt de radiale distributiefunctie (RDF's ), g (r ), van de monsters onder compressie langs [110] en [111] bij verschillende stammen worden getoond in Fig. 3d, h. De toppen van de g (r ) van de voorbeelden op ε =0 en ε =0,25 zijn scherp, wat aangeeft dat ze nog steeds kristallijne kenmerken behouden. Terwijl de toppen van de g (r ) voor de gemengde regio's, d.w.z. het monster zonder B2-regio's, zijn bot behalve de eerste, wat aangeeft dat de gemengde regio zich in een amorfe toestand bevindt. Het dislocatie-extractie-algoritme (DXA) [60] wordt ook gebruikt om te detecteren of er sprake is van dislocatiekiemvorming en om geen duidelijke dislocaties te vinden tijdens het vervormingsproces. Daarom wordt de amorfisatie van de B2-fase uitgevoerd als de belangrijkste faalmodus, wat resulteert in de snelle daling, gemarkeerd met pijlen in Fig. 2b, c.

Atomaire configuraties en RDF's van samples onder compressie. een –d Langs [110] en e –u langs [111]

Figuur 4 toont de atomaire configuraties na de snelle valrek (failure strain) van de monsters onder spanning langs [001], [110] en compressie langs [001], waarvan σ -ε curven behoren tot groep II. In figuur 4 is te zien dat zich gemengde gebieden vormen, vergelijkbaar met die in groep I, wat aangeeft dat amorfisatie ook de belangrijkste faalmodus is (figuur 4). Deze gemengde gebieden zijn echter omgeven door groene en rode atomen (FCC- en HCP-structuur), wat verschilt van de B2-structuur in Fig. 3. Dit verschil geeft aan dat de gemengde fase wordt getransformeerd van de B2-structuur onder compressie in Fig. 3, maar van FCC voor monster [001] onder spanning en compressie, en van HCP voor monster [110] onder spanning.

Atomaire configuraties in monsters bij storingsbelasting. een Onder spanning langs [001], b onder spanning langs [110], en c onder compressie langs [111]

Fasetransformaties

Afbeelding 5 toont de σ -ε kromme van het monster [001] onder spanning, waarbij ook de microstructuren op typische punten (gemarkeerd met A, B, ..., G) worden getoond. De atomen in punt A (ε =0,079) zijn in B2-structuur, wat aangeeft dat vóór ε =0,079 de vervorming in het monster is elastisch. Lokale transformatie van B2 naar FCC vindt echter plaats, zoals weergegeven in de inzet van ε =0,082 in Fig. 5, resulterend in de eerste snelle daling (A→B) naar ε =0,082, waarbij het vrijkomen van de elastische energie die is opgeslagen als gevolg van de herverdeling van de atomaire configuratie, de energie levert voor de noodzaak van de fasetransformatie. In de vloeiende fase van B → F wordt de opgeslagen elastische energie verder vrijgegeven naarmate de fasetransformatie doorgaat, wat leidt tot vermindering van stress. De lokale structuur van het monster wordt volledig FCC bij ε =0,242 (punt E). En de structuur blijft veranderen tussen punt E en F, maar de spanning blijft dalen met de toename van de spanning. Om de verandering van microstructuur te onthullen, de verdeling van g (r ) en de variatie van het aantal atomen (N ) tegen CSP (N -CSP ) van het voorbeeld op ε =0,242, 0,254 en 0,267 (tussen de punten E en F) worden berekend en weergegeven in respectievelijk Fig. 6a, b, waarbij de hoogte van elke piek toeneemt met de toename van de rek, wat aangeeft dat het systeem compacter wordt.

σ-ε kromme van het monster onder spanning langs [001], gekleurd met lokale structuur, waarbij blauw, groen en rood respectievelijk B2, FCC en amorfe fasen voorstellen

een RDF , b N -CSP plots van monster onder spanning langs [001]. c –e Distributie van CSP in monster bij verschillende stammen

Om te karakteriseren of een atoom deel uitmaakt van een perfect rooster of een lokaal defect, bijvoorbeeld een dislocatie of stapelfout, of een oppervlak, wordt de CSP [53] van de atomen met het aantal naaste buren van de FCC-structuur (N =12) worden berekend, zoals weergegeven in Fig. 6c-e. En grotere CSP betekent een grotere afwijking van het perfecte rooster [17]. In figuur 6b is te zien dat het aantal atomen met CSP <-1 toeneemt met de toename van de spanning, wat ook intuïtiever kan worden gezien aan de hand van de verdeling van CSP's van atomen in figuur 6c-e. Het verschilt van de gebruikelijke resultaten dat CSP gewoonlijk niet zou afnemen met de toename van de belasting. Daarom moeten de belangrijkste vervormingsgedragingen in deze fase ook worden toegeschreven aan de fasetransformatie van onvolmaakte FCC naar perfecte FCC. In de vloeiende fase wordt het monster met FCC-structuren uitgerekt en neemt de spanning toe tot het tweede vloeipunt wordt bereikt. Dan daalt de curve scherp, wat overeenkomt met lokale amorfisatie in plaats van de kiemvorming van dislocatie of slip.

Om de fasetransformatie van het materiaal tijdens vervorming te illustreren, toont Fig. 7 enkele yoz plakjes van het monster [001] onder spanning bij verschillende spanningen. De horizontale en verticale stippellijnen worden gebruikt als referenties om te bepalen of de atomaire structuren roteren en afwijken. Met de toename van ε van 0,0 tot 0,079 liggen de atomen op lijnen evenwijdig aan de horizontale en verticale assen, wat aangeeft dat ze een lokale structuur van B2 hebben. De atomaire array in Fig. 7b verandert echter in die in Fig. 7c als ε van 0,079 tot 0,119 wanneer sommige B2-structuren transformeren naar de FCC-structuur. De hoek tussen de arrays verandert van 90 ° in Fig. 7b voor B2-structuur tot ~ -85 ° in Fig. 7c voor FCC-structuur waarbij de roosteroriëntatie 5° met de klok mee afwijkt van de verticale as, maar de atomaire array van B2-structuur niet verandering duidelijk en heeft geen duidelijke rotatie. Gedurende 0,119 <ε < 0.190, het FCC-gebied neemt toe en de reeks groene atomen draait geleidelijk tegen de klok in. Bij ε =0,242, alle B2-structuur transformeert naar FCC-structuren, zoals weergegeven in Fig. 7e, waar de drie roosteroriëntaties respectievelijk bijna parallel worden met de drie assen, maar er is nog steeds een duidelijke afwijking, wat aangeeft dat de FCC-structuur niet perfect is, wat is in overeenstemming met die getoond in Fig. 6c. In de vloeiende fase neigt de atomaire array regelmatig, zoals weergegeven in Fig. 7f bij ε =0,267, wat wordt herkend als een {110} vlak van FCC-structuur, met zijn kristaloriëntatie in horizontale en verticale richtingen veranderd van [010] en [001] van B2-structuur in <110> en <001> van FCC-structuur.

yoz plakjes van [001] monster onder spanning bij verschillende stammen, gekleurd met een lokale roosterstructuur, waarbij blauw, groen en rood respectievelijk B2, FCC en amorfe fasen vertegenwoordigen

De simulatie voor de respons van het monster (100) tijdens het lossen van verschillende maximale trekspanningen (ε _max =0,1, 0,2 en 0,3, respectievelijk) worden uitgevoerd, en de σ -ε curven worden getoond in Fig. 8. Het is te zien dat het lossen σ -ε krommen tussen ε =0.266 en ε =0,056 overlapt de belastingscurve niet, maar ze kunnen voldoen aan de elastische σ -ε kromme bij ε =0,056 en keer dan terug naar de oorsprong langs de elastische σ -ε kromme, die de superelastische eigenschap vertoont. De laad- en ontlaadpaden vormen hysteresislussen, die moeten worden toegeschreven aan de verschillende paden van voorwaartse en inverse fasetransformaties.

Laden en lossen σ -ε kromt spanning langs [001] van verschillende spanningen

De σ -ε curve van het monster [001] onder compressie heeft een vergelijkbare trend, zoals weergegeven in figuur 9a, die kan worden onderverdeeld in vier fasen:(1) σ neemt lineair toe met de toename van de belasting; (2) σ zakt naar een plateau; (3) σ neemt lineair toe met een grotere helling naar de tweede piek naarmate de rek toeneemt; (4) σ daalt scherp naar het tweede plateau. Door de lokale structuren met PTM te analyseren, kan men ontdekken dat de meeste atomen worden geïdentificeerd als B2-structuur voordat ze de tweede piek bereiken, behalve enkele verspreide atomen die worden geïdentificeerd als een andere lokale structuur, zoals weergegeven in figuur 9a. Echter, volgens het eerdere begrip, een plotselinge verandering in de σ -ε krommen komt meestal overeen met de verandering van microstructuur. Om het verder te bevestigen, de N -CSP grafieken worden berekend en getoond in Fig. 9b, waarin de CSP voor elk atoom bij verschillende stammen wordt berekend met de dichtstbijzijnde buren van de B2-structuur (N =8). Wanneer ε =0, de CSP van atomen is groter dan 0, maar kleiner dan 1, vanwege het effect van temperatuur, wat impliceert dat de atomen een perfecte B2-structuur hebben. Met de toename van ε , kunnen de atomen op basis van hun CSP's in twee groepen worden verdeeld:CSP < 1 en 5 ε < 0.121, de CSP's op de tweede pieken zijn hetzelfde, maar het aantal atomen in deze CSP bereik neemt toe en neigt stabiel, wat wijst op de vorming van nieuwe fasen of defecten (zoals stapelfout). De CSP bij de tweede piek neemt af met de verdere toename van ε , d.w.z. de tweede golf beweegt naar links. Figuur 10 toont de evolutie van de bindingslengte in een eenheidscel bij verschillende stammen. Bij ε =0, acht Cu-atomen op de hoekpunten en één Zr-atoom in het lichaamscentrum vormen de B2-structuur. De relatie tussen de roosterparameters is a =b =c . Met de toename van ε , de lengte van de binding in xoy vlak neemt toe, maar dat in xoz vliegtuig neemt af. Door de spanning in de andere twee richtingen tijdens het laden te berekenen, kan men ontdekken dat de spanningen in de andere twee richtingen identiek zijn vóór de tweede pieken. Daarom is de lengte van de bindingen langs x- en y -richtingen moeten identiek zijn, en groter dan die langs de z -richting. De relatie tussen roosterparameters wordt a =b> c . Deze arrays van atomen kunnen worden herkend als BCT-structuur. Concluderend, de transformatie van een B2-structuur naar BCT-structuur is het belangrijkste vervormingsmechanisme voor monster [001] onder compressie.

Reacties van het monster [001] onder compressie. een σ-ε kromme en typische atomaire configuraties, met atomen gekleurd met lokale structuren geïdentificeerd door PTM. b N -CSP percelen

Evolutie van bindingslengte voor het monster [001] onder compressie, met bindingen gekleurd met zijn lengte

Figuur 11a toont de respons van het monster [110] onder spanning. De eerste piek (punt A) komt overeen met de opbrengstlimiet van de B2-structuur, daarna transformeert een lokale B2-structuur naar de HCP-structuur, wat resulteert in een scherpe daling. Met de toename van ε , neemt de spanning af tot punt C wanneer het monster volledig wordt getransformeerd naar HCP. Figuur 11b, c is de xoy plakjes met één laag op ε =respectievelijk 0 en 0,150, waarbij men kan zien dat in het beginstadium de Cu- en Zr-atomen zich in een identieke atoomlaag bevinden (Fig. 11b). Cu- en Zr-atomen zijn echter gescheiden in aangrenzende lagen bij ε =0,150 (Fig. 11c), wat resulteert in de fasetransformatie van B2 naar HCP. Dan met de toename van ε , σ neemt toe met een kleinere helling dan die in de initiële lineaire fase tot punt D, gevolgd door een scherpe daling naar een laag stressniveau, wat overeenkomt met falen als gevolg van lokale amorfisatie.

een Vervormingsgedrag van spanning langs [110], gekleurd met PTM. b , c Atomic slices op xoy vlak bij ε =respectievelijk 0 en 0,150