Oriëntatie-afhankelijke fasetransformaties van B2 CuZr: Inzichten uit moleculairedynamica

Samenvatting

De B2 CuZr-fase wordt vaak in bulk metalen glazen geïntegreerd om de zwaarte te verbeteren, maar de fasetransformatierespons onder verschillende belastingoriëntaties is nog niet volledig begrepen. Met behulp van moleculairedynamica-simulaties onderzochten we uniaxiale trekking en compressie van B2 CuZr langs de [001], [110] en [111] richtingen. Onze resultaten onthullen een uitgesproken trekking-compressie-asymmetrie, waarbij falen gedomineerd wordt door gelokaliseerde amorfisatie. We identificeerden drie verschillende oriëntatie-afhankelijke transformaties: B2→FCC en B2→BCT onder trekking en compressie langs [001], en B2→HCP onder trekking langs [110]. Deze overgangen verlopen via respectievelijk een roosterrotatie van ~5°, uniforme deformatie en Cu/Zr-laagscheiding. Belangrijk is dat het getransformeerde gebied bij ontlasting herstelt voordat amorfisatie optreedt, wat een superelastische respons aantoont.

Inleiding

Bulk metalen glazen (BMG's) combineren uitzonderlijke sterkte, elasticiteit en corrosieweerstand, maar hun bros breken door gelokaliseerde afglijdingsbanden beperkt de brede toepassing. Het inbedden van ductiele B2 CuZr-deeltjes heeft zich als effectief bewezen om dit nadeel te mitigeren, door een versterkingsmechanisme dat nog steeds actief onderzocht wordt [1-11]. In CuZr-gebaseerde BMG-composieten kan de B2-fase ontstaan tijdens kristallisatie onder belasting, waarna twinning en dislocatieglijding de mechanische respons van de hostmatrix wijzigen [12]. Het begrijpen van het deformatiegedrag van de versterkende CuZr-deeltjes is daarom cruciaal voor het ontwerpen van hoogpresterende BMG's.

Het B2 CuZr-legering is een prototypisch vormgeheugenlegering die zijn oorspronkelijke vorm herstelt onder specifieke thermomechanische condities, wat het onderscheidt van conventionele kristallijne materialen wiens deformatie gedomineerd wordt door dislocatieglijding of twinning [13,14]. Eerst-principes berekeningen bieden atoomschaal-inzicht in adsorptie en interfaciale verschijnselen [18-22], maar kunnen de dynamische evolutie van fasetransformaties op de relevante lengte- en tijdschalen niet vastleggen. Moleculairedynamica (MD) simulaties bieden daarentegen een krachtige benadering om mechanische eigenschappen en deformatiemechanismen in detail te bestuderen [23-31]. Eerder MD-werk onthulde dwarsdoorsnede- en temperatureffecten op Cu-Zr nanodraad fasetransformaties, alsook trekking-compressie-asymmetrie [32-34]. Bovendien beïnvloedt de keuze van het interatoompotentieel de voorspelde martensitische overgang van B2 naar BCT [13,35-36].

Kristalanisotropie beïnvloedt deformatiemechanismen diepgaand; verschillende belastingrichtingen kunnen afzonderlijke processen activeren zoals dislocatieglijding, twinning of fasetransformatie [37-40]. Voor B2 CuZr lijkt de atoomsche indeling sterk op een kubisch ruimte-gelijkzijdig (BCC) rooster, maar de aanwezigheid van twee verschillende elementen introduceert extra complexiteit. In BMG-composieten zijn de versterkende deeltjes willekeurig georiënteerd, zodat de belastingrichting ten opzichte van de deeltjeskristallografie de versterkingseffectiviteit moduleert. Een systematisch onderzoek van de B2-fase onder uniaxiale trekking en compressie langs meerdere oriëntaties is daarom gewenst.

In deze studie voeren we een reeks MD-simulaties uit van uniaxiale trekking en compressie op B2 CuZr-kristallen georiënteerd langs [001], [110] en [111] om oriëntatie-afhankelijke fasetransformatie-paden en de bijbehorende trekking-compressie-asymmetrie te verduidelijken.

Methoden

We gebruiken de embedded-atom method (EAM) potentieel ontwikkeld door Mendelev et al. in 2016 [47], wat de stapelfoutenergieën en kristallografische eigenschappen van CuZr nauwkeurig reproduceert. Drie einkristalmonsters werden geconstrueerd met de belasingsas langs [001], [110] en [111], zoals geïllustreerd in Fig. 1. Voor de belasting werd een geconjugeerde-gradiënt (CG) energieminimalisatie gevolgd door een 20 ps NPT-vereffening bij 300 K (nul druk) uitgevoerd om een ontspannen startconfiguratie te verkrijgen.

Uniaxiale vervorming werd toegepast met een snelheid van 10⁹ s⁻¹, het typische bereik voor nano-schaal MD-studies waar vervormingssnelheidsgevoeligheid verwaarloosbaar is [48,49]. Het NPT-ensemble met een Nose-Hoover-barostaat hield de laterale spanningen op nul, wat constant volume in de transversale richtingen garandeerde. Periodieke randvoorwaarden werden in alle richtingen afgedwongen.

Lokale kristalstructuren werden geïdentificeerd met behulp van polyhedrale sjabloonmatching (PTM) [52], wat robuust blijft onder thermische fluctuaties en vervorming. De PTM-uitvoer werd gekleurd: blauw (BCC/B2), groen (FCC), rood (HCP/stapelfout), paars (SC), en wit (korrelgrenzen of dislocatiekernen). De centrosymmetrieparameter (CSP) werd ook voor elk atoom berekend om locale onorde te kwantificeren (Vgl. 1) [53].

Alle MD-data werden gevisualiseerd met Ovito [54].

Resultaten en Discussie

Spanning-Vervorming Curves

Figuur 2 toont de σ-ε curves voor de drie oriëntaties onder trekking en compressie. Het initiële lineaire regime weerspiegelt elastisch gedrag; de hellingen leveren de Young's modulus waarden (Tabel 1), wat aantoont dat de [001] oriëntatie het zachtst is en [111] het stijfst, consistent met BCC ijzer anisotropie [40]. Spanningstoppen en daaropvolgende dalingen corresponderen met het begin van inelastische vervorming. Drie verschillende na-piek gedragingen traden op: (I) snelle spanningsdaling, (II) plateau gevolgd door een tweede piek, en (III) zigzag-fluctuaties. Deze verschillen wijzen op oriëntatie-afhankelijke transformatiepaden.

Faalgedrag

Onder compressie langs [110] en [111] vertonen de σ-ε curves een scherpe daling samen met het verschijnen van gemengde-faseregio's (Fig. 3). Radiale distributiefuncties (RDFs) bevestigen dat deze regio's amorfe zijn, terwijl de overige B2-domeinen kristallijn blijven. Geen dislocatienucleatie werd gedetecteerd, wat aangeeft dat gelokaliseerde amorfisatie het primaire faalmechanisme is. Vergelijkbaar gedrag treedt op bij trekking langs [001] en [110] en compressie langs [001] (Fig. 4), waar gemengde regio's omringd zijn door FCC of HCP fasen, wat suggereert dat het B2-rooster zich eerst in deze structuren transformeert voordat amorfisatie plaatsvindt.

Fasetransformaties

Figuur 5 volgt de evolutie van de [001] trekkingstest. Initieel is het B2-rooster intact (ε = 0.079). Bij ε ≈ 0.082 start een gelokaliseerde B2→FCC overgang, wat de eerste spanningsdaling veroorzaakt. Naarmate de vervorming voortduurt, groeit de FCC-fase, en bij ε = 0.242 is het gehele monster getransformeerd naar FCC (Fig. 5). De overgang gaat gepaard met een ~5° roosterrotatie en het geleidelijke verdwijnen van Cu-Zr laagscheiding. CSP-analyse (Fig. 6) toont dat het aantal atomen met lage CSP (<1) toeneemt met vervorming, wat een progressie van imperfecte naar perfecte FCC aangeeft. Bij ontlasting (Fig. 8) keert het FCC-gebied deels terug naar B2, wat de superelastische aard van de transformatie benadrukt.

Figuur 7 visualiseert de roosterevolutie door yz-sneden bij toenemende vervorming. Het initiële B2-rooster (ε = 0) toont orthogonale atoomarrays. Bij ε ≈ 0.079-0.119 treedt gedeeltelijke FCC-nucleatie op met een ~5° afwijking. Naarmate de vervorming toeneemt, expandeert het FCC-gebied en heroriënteert het, en uiteindelijk uitgelijnd met het <110> vlak (ε = 0.267). Deze rotatie ondersteunt verder de martensitische aard van de B2→FCC overgang.

Bij ontlasting vanaf verschillende maximale vervormingen (ε_max = 0.1, 0.2, 0.3) vertonen de spanning-vervormingspaden (Fig. 8) hysterese-lussen die de belastingcurves niet volledig overlappen, maar wel terugkeren naar de elastische lijn, wat een reversibele, superelastische respons bevestigt. De hysterese ontstaat door de voorwaartse B2→FCC overgang en haar terugkeerpad.

Compressie langs [001] volgt een afwijkend pad (Fig. 9). Na een initiële elastische stijging, daalt de spanning naar een plateau, stijgt weer naar een tweede piek voordat een finale scherpe daling volgt. PTM-analyse toont dat de meeste atomen B2 blijven tot de tweede piek, wat een B2→BCT overgang aangeeft gedreven by differentiële bindingsuitrekking (Fig. 10). De BCT-fase, met roosterparameters a = b > c, vormt door uniforme vervorming en Cu-Zr laagscheiding. De daaropvolgende spanningsdaling correspondeert met gelokaliseerde amorfisatie.

Onder trekking langs [110] (Fig. 11) wordt de initiële vloeipiek gevolgd door een snelle daling als lokaal B2 transformeert naar HCP, gedreven door Cu-Zr laagscheiding. Naarmate de vervorming toeneemt, groeit de HCP-fase tot het monster volledig geconverteerd is (punt C), waarna verdere vervorming leidt tot lokale amorfisatie en een finale spanningsdaling. X-OY sneden (Fig. 11b-c) onthullen de cruciale atoomsche herrangschikking: bij ε = 0.150 ontkoppelen de Cu en Zr lagen, wat de B2→HCP overgang initieert.

Conclusies

Ons MD-onderzoek van B2 CuZr onder uniaxiale belasting langs [001], [110] en [111] onthult vier belangrijke bevindingen:

1. Mechanische responsen vertonen een duidelijke trekking-compressie-asymmetrie; falen wordt gedomineerd door gelokaliseerde amorfisatie.
2. Drie verschillende oriëntatie-afhankelijke fasetransformaties treden op: B2→FCC en B2→BCT onder [001] trekking/compressie, en B2→HCP onder [110] trekking.
3. Elke transformatie volgt een uniek mechanisme: ~5° roosterrotatie voor B2→FCC, uniforme vervorming en Cu-Zr laagscheiding voor B2→BCT, en Cu-Zr laagontkoppeling voor B2→HCP.
4. Het getransformeerde gebied kan deels herstellen bij ontlasting vóór amorfisatie, wat superelasticiteit demonstreert.

Deze inzichten verhelderen de deformatiepaden van nanokristallijn CuZr en begeleiden het ontwerp van BMG-composieten met afgestemde zwaarte.