Transformasi Fase Anisotropik dalam Paduan CuZr Kristal B2

Hasil dan Diskusi

Kurva Tegangan-Regang

Gambar 2 menunjukkan tegangan-regangan (σ -ε ) untuk fase B2 CuZr yang mengalami tegangan dan kompresi uniaksial sepanjang [001], [110], dan [111]. Dapat dicatat bahwa tegangan lebih besar dari pada percobaan [55], karena (1) skala waktu yang digunakan dalam simulasi MD berbeda dari yang digunakan dalam percobaan, menghasilkan kecepatan indentasi yang jauh lebih besar daripada dalam percobaan; dan (2) cacat termasuk cacat titik, dislokasi, dan batas butir dll tidak dipertimbangkan dalam simulasi. Pada tahap awal, kurva ini berkembang secara linier dan kemudian menunjukkan tren yang berbeda. Setelah puncak pertama, kurva ini dapat dibagi menjadi tiga kelompok. Di grup I, kurva turun dengan cepat ke tingkat stres yang rendah, seperti kompresi sepanjang [110] dan [111]. Pada kelompok II, tegangan jatuh ke platform dan berfluktuasi dengan peningkatan regangan setelah puncak pertama, seperti tegangan sepanjang [001], [110] dan kompresi sepanjang [001]. Kurva kemudian naik ke puncak kedua sebelum penurunan tajam terakhir. Pada kelompok III, kurva turun dengan cepat ke tingkat stres yang rendah, dan kemudian berfluktuasi dalam pola zig-zag, seperti ketegangan sepanjang [111]. Sebelum puncak pertama, sampel tetap berada di struktur B2 dan tidak ada luncuran dislokasi yang jelas dan kembaran yang dapat diamati, yang dapat dianggap sebagai deformasi elastis. Pada tahap elastis linier, modulus Young E dapat diperoleh dengan menyesuaikan kemiringan setiap kurva dalam kisaran 0,00 <ε <0,02, dan tercantum pada Tabel 1, di mana dapat dilihat bahwa orientasi [001] adalah yang paling lembut dan [111] adalah yang paling kaku. Ini sesuai dengan hasil dari besi BCC curah [40]. E sampel di bawah kompresi lebih besar daripada di bawah ketegangan kecuali untuk orientasi [001], dalam konsistensi dengan yang diamati pada kristal tunggal Cu [56], yang harus dianggap berasal dari gesekan yang lebih tinggi di bawah kompresi [56]. Sisa kurva pada tahap elastis di bawah kompresi menyimpang dari yang di bawah tegangan jelas, yang harus dianggap berasal dari tarik asimetris dan sifat tekan dari potensi interatomik [57]. Setelah puncak pertama, tidak jelas apakah deformasi harus dikaitkan dengan slip dislokasi atau transformasi fase; oleh karena itu, wilayah ini tidak dapat dilihat sebagai asimetri T/C inelastis atau plastis, yang berbeda dengan karya lainnya [57,58,59]. Pada bagian aliran, mekanisme deformasi sampel yang mengalami pembebanan sepanjang arah yang berbeda akan dibahas secara rinci.

σ -ε kurva sampel di bawah tegangan (T) dan kompresi (C). a [001], b [110] dan c [111]

Perilaku Gagal

Gambar 3 menunjukkan struktur atom dan fungsi distribusi radial (RDF) dari sampel yang mengalami kompresi sepanjang [110] dan [111], yang σ -ε kurva dapat dilihat pada Gambar 2 berlabel [110] C dan [111] C. Gambar 3a, d menunjukkan sampel awal [110] dan [111] setelah relaksasi pada 300 K, di mana dapat dilihat bahwa atom dalam struktur B2. Ketika ε meningkat menjadi 0,115 atau 0,125 untuk [110] C dan [111] C, masing-masing, wilayah dengan struktur campuran muncul, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, f. Struktur di daerah campuran didefinisikan sebagai fase campuran. Nukleasi fase campuran sesuai dengan tahap penurunan cepat kurva [110] C dan [111] C pada Gambar. 2b, c, yang ditandai dengan panah. Oleh karena itu, transformasi struktur lokal dari B2 ke fase campuran menyebabkan penurunan tegangan yang cepat. Pada tahap mengalir, variasi fraksi volume dari fase campuran adalah mekanisme utama untuk mengakomodasi deformasi lebih lanjut, struktur lokal dalam sampel di bawah kompresi sepanjang [110] dan [111] di ε =0,25 masing-masing ditunjukkan pada Gambar 3c, g. Untuk menentukan struktur di wilayah campuran, fungsi distribusi radial (RDFs ), g (r ), dari sampel di bawah kompresi sepanjang [110] dan [111] pada strain yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3d, h. Puncak g (r ) dari sampel di ε =0 dan ε =0,25 tajam, menunjukkan bahwa mereka masih mempertahankan fitur kristal. Sementara puncak g (r ) untuk daerah campuran, yaitu sampel tanpa daerah B2, tumpul kecuali yang pertama, menunjukkan bahwa daerah campuran dalam keadaan amorf. Algoritma ekstraksi dislokasi (DXA) [60] juga digunakan untuk mendeteksi apakah ada nukleasi dislokasi, dan tidak menemukan dislokasi yang jelas selama proses deformasi. Oleh karena itu, amorfisasi fase B2 dilakukan menjadi mode kegagalan utama, menghasilkan penurunan yang cepat, ditandai dengan panah pada Gambar. 2b, c.

Konfigurasi atom dan RDF sampel di bawah kompresi. a –d Sepanjang [110] dan e –h bersama [111]

Gambar 4 menunjukkan konfigurasi atom setelah regangan jatuh cepat (regangan gagal) sampel di bawah tegangan sepanjang [001], [110] dan kompresi sepanjang [001], yang σ -ε kurva milik kelompok II. Dapat dilihat pada Gambar 4 bahwa daerah campuran terbentuk, mirip dengan kelompok I, yang menunjukkan bahwa amorfisasi juga merupakan mode kegagalan utama (Gbr. 4). Namun, daerah campuran ini dikelilingi oleh atom hijau dan merah (struktur FCC dan HCP), yang berbeda dari struktur B2 pada Gambar 3. Perbedaan ini menunjukkan bahwa fase campuran ditransformasikan dari struktur B2 di bawah kompresi pada Gambar 3, tetapi dari FCC untuk sampel [001] di bawah tegangan dan kompresi, dan dari HCP untuk sampel [110] di bawah tegangan.

Konfigurasi atom dalam sampel pada regangan gagal. a Di bawah ketegangan di sepanjang [001], b di bawah ketegangan sepanjang [110], dan c di bawah kompresi sepanjang [111]

Transformasi Fase

Gambar 5 menunjukkan σ -ε kurva sampel [001] di bawah tegangan, di mana struktur mikro pada titik-titik tipikal (ditandai dengan A, B, ... , G) juga diperlihatkan. Atom-atom di titik A (ε =0,079) berada dalam struktur B2, menunjukkan bahwa sebelum ε =0,079 deformasi pada sampel bersifat elastis. Namun, transformasi lokal dari B2 ke FCC terjadi, seperti yang ditunjukkan pada sisipan ε =0,082 pada Gambar 5, menghasilkan penurunan cepat pertama (A→B) ke ε =0,082, di mana pelepasan energi elastis yang disimpan karena redistribusi konfigurasi atom memberikan energi untuk kebutuhan transformasi fasa. Pada tahap aliran B→F, energi elastik yang tersimpan selanjutnya dilepaskan seiring dengan berlanjutnya transformasi fasa, yang mengarah pada pengurangan tegangan. Struktur lokal sampel menjadi FCC sepenuhnya di ε =0,242 (titik E). Dan strukturnya terus berubah antara Titik E dan F, tetapi tegangan terus turun dengan bertambahnya regangan. Untuk mengungkap perubahan struktur mikro, distribusi g (r ) dan variasi jumlah atom (N ) melawan CSP (T -CSP ) dari sampel di ε =0.242, 0.254, dan 0.267 (antara titik E dan F) dihitung dan ditunjukkan pada Gambar. 6a, b, masing-masing, di mana ketinggian setiap puncak meningkat dengan meningkatnya regangan, menunjukkan bahwa sistem menjadi lebih kompak.

σ-ε kurva sampel di bawah tegangan sepanjang [001], diwarnai dengan struktur lokal, dengan biru, hijau, dan merah masing-masing mewakili fase B2, FCC, dan amorf

a RDF , b T -CSP plot sampel di bawah tekanan sepanjang [001]. c –e Distribusi CSP dalam sampel pada strain yang berbeda

Untuk mengkarakterisasi apakah atom merupakan bagian dari kisi sempurna atau cacat lokal, misalnya, dislokasi atau kesalahan susun, atau permukaan, CSP [53] atom dengan jumlah tetangga terdekat dari struktur FCC (N =12) dihitung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c–e. Dan CSP yang lebih besar berarti deviasi yang lebih besar dari kisi sempurna [17]. Dapat dilihat pada Gambar 6b ​​bahwa jumlah atom dengan CSP < 1 meningkat dengan meningkatnya regangan, yang juga dapat dilihat secara lebih intuitif dari distribusi CSP atom pada Gambar 6c–e. Ini berbeda dari hasil umum yang biasanya CSP tidak akan berkurang dengan meningkatnya regangan. Oleh karena itu, perilaku deformasi utama pada tahap ini juga harus dikaitkan dengan transformasi fase dari FCC tidak sempurna ke FCC sempurna. Pada tahap mengalir, sampel dengan struktur FCC diregangkan, dan tegangan akan meningkat hingga mencapai titik leleh kedua. Kemudian kurva turun tajam, sesuai dengan amorfisasi lokal daripada nukleasi dislokasi atau slip.

Untuk mengilustrasikan transformasi fasa material selama deformasi, Gambar 7 menunjukkan beberapa yoz irisan sampel [001] di bawah tekanan pada strain yang berbeda. Garis putus-putus horizontal dan vertikal digunakan sebagai acuan untuk mengidentifikasi apakah struktur atom berputar dan menyimpang. Dengan peningkatan ε dari 0,0 hingga 0,079, atom-atom terletak pada garis yang sejajar dengan sumbu horizontal dan vertikal, menunjukkan bahwa atom-atom tersebut memiliki struktur lokal B2. Namun, susunan atom pada Gambar 7b berubah menjadi pada Gambar 7c sebagai ε dari 0,079 hingga 0,119 ketika beberapa struktur B2 berubah menjadi struktur FCC. Sudut antara susunan berubah dari 90° pada Gambar 7b untuk struktur B2 menjadi ~ 85° pada Gambar. 7c untuk struktur FCC dengan orientasi kisi menyimpang dari sumbu vertikal searah jarum jam 5 °, tetapi susunan atom struktur B2 tidak berubah dengan jelas dan tidak memiliki rotasi yang jelas. Selama 0,119 <ε 0,190, area FCC meningkat, dan susunan atom hijau secara bertahap berputar berlawanan arah jarum jam. Di ε =0,242, semua struktur B2 berubah menjadi struktur FCC, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7e, di mana tiga orientasi kisi menjadi hampir sejajar dengan tiga sumbu masing-masing, tetapi masih ada penyimpangan yang nyata, yang menunjukkan bahwa struktur FCC tidak sempurna, yaitu dalam konsistensi dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. Pada tahap mengalir, susunan atom cenderung teratur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7f di ε =0,267, yang dikenali sebagai bidang {110} struktur FCC, dengan orientasi kristalnya dalam arah horizontal dan vertikal berubah dari [010] dan [001] struktur B2 menjadi <110> dan <001> struktur FCC.

yoz irisan [001] sampel di bawah tekanan pada strain yang berbeda, diwarnai dengan struktur kisi lokal, dengan biru, hijau, dan merah masing-masing mewakili fase B2, FCC, dan amorf

Simulasi untuk respon sampel (100) selama pembongkaran dari regangan tarik maksimum yang berbeda (ε _maks =0,1, 0,2, dan 0,3, masing-masing) dilakukan, dan σ -ε kurva ditunjukkan pada Gambar. 8. Dapat dilihat bahwa pembongkaran σ -ε kurva antara ε =0,266 dan ε =0,056 tidak tumpang tindih dengan kurva pembebanan, tetapi dapat bertemu dengan elastisitas σ -ε kurva di ε =0,056 dan kemudian kembali ke titik asal sepanjang elastis σ -ε kurva, menunjukkan karakteristik superelastis. Jalur pemuatan dan pembongkaran membentuk loop histeresis, yang harus dianggap berasal dari jalur yang berbeda dari transformasi fase penerusan dan terbalik.

Memuat dan membongkar σ -ε kurva tegangan sepanjang [001] dari regangan yang berbeda

σ -ε kurva sampel [001] di bawah kompresi memiliki tren yang sama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a, yang dapat dibagi menjadi empat tahap:(1) σ meningkat secara linier dengan peningkatan regangan; (2) σ turun ke dataran tinggi; (3) σ meningkat secara linier dengan kemiringan yang lebih besar ke puncak kedua sebagai peningkatan regangan; (4) σ turun tajam ke dataran tinggi kedua. Dengan menganalisis struktur lokal dengan PTM, seseorang dapat menemukan bahwa sebagian besar atom diidentifikasi sebagai struktur B2 sebelum mencapai puncak kedua, kecuali beberapa atom tersebar yang diidentifikasi sebagai struktur lokal lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a. Namun, menurut pemahaman sebelumnya, perubahan mendadak pada σ -ε kurva biasanya sesuai dengan perubahan struktur mikro. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut, N -CSP plot dihitung dan ditunjukkan pada Gambar. 9b, di mana CSP untuk setiap atom pada strain yang berbeda dihitung dengan tetangga terdekat dari struktur B2 (N =8). Ketika ε =0, CSP atom lebih besar dari 0, tetapi kurang dari 1, karena pengaruh suhu, menyiratkan bahwa atom berada dalam struktur B2 yang sempurna. Dengan peningkatan ε , atom dapat dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan CSP-nya:CSP < 1 dan 5 ε 0,121, CSP pada puncak kedua adalah sama, tetapi jumlah atom dalam CSP ini rentang meningkat dan cenderung stabil, menunjukkan pembentukan fase baru atau cacat (seperti kesalahan susun). CSP di puncak kedua menurun dengan peningkatan lebih lanjut dari ε , yaitu, gelombang kedua bergerak ke kiri. Gambar 10 menunjukkan evolusi panjang ikatan dalam sel satuan pada strain yang berbeda. Di ε =0, delapan atom Cu di titik puncak dan satu atom Zr di pusat tubuh membentuk struktur B2. Hubungan antara parameter kisi adalah a =b =c . Dengan peningkatan ε , panjang ikatan dalam xy pesawat meningkat, tapi itu di xoz pesawat berkurang. Dengan menghitung regangan di dua arah lainnya selama pembebanan, seseorang dapat menemukan bahwa regangan di dua arah lainnya identik sebelum puncak kedua. Oleh karena itu, panjang ikatan sepanjang x- dan y -arah harus identik, dan lebih besar dari itu di sepanjang z -arah. Hubungan antara parameter kisi menjadi a =b> c . Susunan atom ini dapat dikenali sebagai struktur BCT. Kesimpulannya, transformasi dari struktur B2 ke struktur BCT adalah mekanisme deformasi utama untuk sampel [001] di bawah kompresi.

Tanggapan sampel [001] di bawah kompresi. a σ-ε kurva dan konfigurasi atom khas, dengan atom diwarnai dengan struktur lokal diidentifikasi oleh PTM. b T -CSP plot

Evolusi panjang ikatan untuk sampel [001] di bawah kompresi, dengan ikatan yang diwarnai dengan panjangnya

Gambar 11a menunjukkan respon sampel [110] di bawah tegangan. Puncak pertama (titik A) sesuai dengan batas luluh struktur B2, kemudian beberapa struktur B2 lokal berubah menjadi struktur HCP, menghasilkan penurunan tajam. Dengan peningkatan ε , tegangan berkurang sampai titik C ketika sampel diubah total menjadi HCP. Gambar 11b, c adalah xy irisan satu lapis di ε =0 dan 0,150, masing-masing, di mana orang dapat melihat bahwa pada tahap awal atom Cu dan Zr berada dalam lapisan atom yang identik (Gbr. 11b). Namun, atom Cu dan Zr dipisahkan menjadi lapisan yang berdekatan di ε =0,150 (Gbr. 11c), yang menghasilkan transformasi fase dari B2 ke HCP. Kemudian dengan peningkatan ε , σ meningkat dengan kemiringan yang lebih kecil dari pada tahap linier awal sampai titik D, diikuti oleh penurunan tajam ke tingkat tegangan rendah, sesuai dengan kegagalan karena amorfisasi lokal.

a Perilaku deformasi tegangan sepanjang [110], diwarnai dengan PTM. b , c Irisan atom di xy bidang pada =0 dan 0,150, masing-masing