분자동역학 시뮬레이션으로 본 B2 CuZr의 방향 의존적 상전이

요약

B2 CuZr 상은 벌크 금속 유리의 인성을 향상시키기 위해 자주 첨가되지만, 다양한 하중 방향에서의 상전이 거동은 완전히 이해되지 않았습니다. 분자동역학 시뮬레이션을 사용하여 B2 CuZr의 [001], [110], [111] 방향을 따른 일축 인장과 압축을 조사했습니다. 결과는 국소적 비정질화에 의해 지배되는 파괴와 함께 뚜렷한 인장-압축 비대칭성을 보여줍니다. 세 가지 독특한 방향 의존적 상전이를 확인했습니다: [001] 방향 인장 시 B2→FCC, [001] 방향 압축 시 B2→BCT, [110] 방향 인장 시 B2→HCP 전이입니다. 이러한 전이는 각각 약 5° 격자 회전, 균일한 변형, Cu/Zr 층 분리를 통해 발생합니다. 중요한 점은 비정질화 전에 언로딩 시 변환 영역이 회복되어 초탄성 반응을 보인다는 것입니다.

서론

벌크 금속 유리(BMG)는 뛰어난 강도, 탄성, 내식성을 결합하지만, 국소 전단대를 통한 취성 파괴가 광범위한 적용을 제한합니다. 연성 B2 CuZr 입자를 매립하는 것이 이 단점을 완화하는 데 효과적임이 입증되었으며, 이는 여전히 활발히 연구 중인 강인화 메커니즘을 제공합니다 [1-11]. CuZr 기반 BMG 복합체에서 B2 상은 하중 하에서 결정화하는 동안 형성될 수 있으며, 이후 쌍정과 전위 미끄러짐을 거쳐 모체 매트릭스의 기계적 반응을 변화시킵니다 [12]. 따라서 보강 CuZr 입자의 변형 거동을 이해하는 것은 고성능 BMG 설계에 필수적입니다.

B2 CuZr 합금은 특정 열역학적 조건에서 원래 형상을 회복하는 프로토타입 형상기억 합금으로, 변형이 전위 미끄러짐이나 쌍정에 의해 지배되는 기존 결정질 재료와 구별됩니다 [13,14]. 제일원리 계산은 흡착과 계면 현상에 대한 원자 규모 통찰을 제공하지만 [18-22], 관련 길이 및 시간 척도에서 상전이의 동적 진화를 포착할 수는 없습니다. 반면 분자동역학(MD) 시뮬레이션은 기계적 특성과 변형 메커니즘을 자세히 연구하는 강력한 접근법을 제공합니다 [23-31]. 이전 MD 연구는 Cu-Zr 나노와이어 상전이에 대한 단면적 및 온도 효과, 그리고 인장-압축 비대칭성을 밝혀냈습니다 [32-34]. 또한 원자간 포텐셜의 선택이 B2에서 BCT로의 마르텐사이트 전이 예측에 영향을 미칩니다 [13,35-36].

결정 이방성은 변형 메커니즘에 심대한 영향을 미치며, 다른 하중 방향은 전위 미끄러짐, 쌍정, 또는 상전이와 같은 독특한 공정을 활성화할 수 있습니다 [37-40]. B2 CuZr의 경우 원자 배열이 체심입방(BCC) 격자와 매우 유사하지만, 두 가지 서로 다른 원소의 존재가 추가적인 복잡성을 도입합니다. BMG 복합체에서 보강 입자는 무작위로 배향되어 있으므로, 입자 결정학에 대한 하중 방향이 강인화 효과를 조절합니다. 따라서 [001], [110], [111] 방향을 따른 일축 인장 및 압축 하에서 B2 상에 대한 체계적인 조사가 필요합니다.

본 연구에서는 B2 CuZr 단결정을 [001], [110], [111] 방향으로 일축 인장 및 압축하는 일련의 MD 시뮬레이션을 수행하여 방향 의존적 상전이 경로와 관련된 인장-압축 비대칭성을 규명합니다.

방법

Mendelev 등이 2016년에 개발한 매립 원자법(EAM) 포텐셜을 사용하며, 이는 CuZr의 적층 결함 에너지와 결정학적 특성을 정확하게 재현합니다 [47]. 로딩 축이 [001], [110], [111]을 향하는 세 개의 단결정 시료를 Fig. 1과 같이 구성했습니다. 로딩 전에 켤레 기울기(CG) 에너지 최소화와 300 K에서 20 ps NPT 평형화(영 압력)를 수행하여 완화된 초기 구성을 얻었습니다.

일축 변형을 10⁹ s⁻¹의 변형률로 가했습니다. 이는 변형률 민감도가 무시할 수 있는 나노스케일 MD 연구의 일반적인 범위입니다 [48,49]. Nose-Hoover 바로스탯을 사용한 NPT 앙상블로 횡응력을 0으로 유지하여 횡방향에서 일정한 부피를 보장했습니다. 모든 방향에 주기적 경계 조건을 적용했습니다.

로딩 축 z가 a [001], b [110], c [111] 방향인 시료들, 원자 유형별로 색상 구분.

국소 결정 구조는 다면체 템플릿 매칭(PTM) [52]을 사용하여 식별했는데, 이는 열적 요동과 변형 하에서도 강건합니다. PTM 출력을 색상에 매핑했습니다: 파랑(BCC/B2), 초록(FCC), 빨강(HCP/적층 결함), 보라(SC), 흰색(결계 또는 전위 코어). 또한 각 원자에 대한 중심대칭 매개변수(CSP)를 계산하여 국소 무질서를 정량화했습니다 (식 1) [53].

모든 MD 데이터는 Ovito로 시각화했습니다 [54].

결과 및 토의

응력-변형률 곡선

Figure 2는 세 방향에서 인장 및 압축 하의 σ-ε 곡선을 보여줍니다. 초기 선형 영역은 탄성 거동을 반영하며, 기울기에서 영률 값(표 1)을 얻을 수 있습니다. [001] 방향이 가장 부드럽고 [111]이 가장 단단하며, 이는 BCC 철의 이방성과 일치합니다 [40]. 응력 피크와 이후 하강은 비탄성 변형의 시작에 해당합니다. 세 가지 뚜렷한 피크 후 거동이 나타났습니다: (I) 급격한 응력 하강, (II) 2차 피크를 동반한 평탄부, (III) 지그재그 변동. 이러한 차이는 방향 의존적 상전이 경로를 나타냅니다.

인장(T)과 압축(C) 하 시료들의 σ-ε 곡선. a [001], b [110], c [111].

파괴 거동

[110]과 [111] 방향 압축에서 σ-ε 곡선은 혼합상 영역의 출현과 일치하는 급격한 하강을 보입니다(Fig. 3). 방사 분포 함수(RDF)는 이 영역들이 비정질임을 확인하며, 나머지 B2 영역은 결정질로 유지됩니다. 전위 핵형성이 감지되지 않아 국소적 비정질화가 주요 파괴 메커니즘임을 나타냅니다. [001] 및 [110] 방향 인장과 [001] 방향 압축에서도 유사한 거동이 발생합니다(Fig. 4). 여기서는 혼합 영역이 FCC 또는 HCP 상으로 둘러싸여 있어, 비정질화 전에 B2 격자가 이러한 구조로 변환됨을 시사합니다.

압축 하 시료들의 원자 구성과 RDF. a-d [110] 방향, e-h [111] 방향.

파괴 변형률에서 시료들의 원자 구성. a [001] 방향 인장, b [110] 방향 인장, c [111] 방향 압축.

상전이

Figure 5는 [001] 방향 인장 시험의 진화를 추적합니다. 초기에 B2 격자는 온전합니다 (ε = 0.079). ε ≈ 0.082에서 국소적 B2→FCC 전이가 시작되어 첫 번째 응력 하강을 유발합니다. 변형이 진행됨에 따라 FCC 상이 성장하고, ε = 0.242에서 시료 전체가 FCC로 변환됩니다(Fig. 5). 이 전이는 약 5° 격자 회동과 Cu-Zr 층 분리의 점진적 소실을 동반합니다. CSP 분석(Fig. 6)은 낮은 CSP(<1)를 가진 원자 수가 변형률과 함께 증가함을 보여주며, 불완전한 FCC에서 완전한 FCC로의 진행을 나타냅니다. 언로딩 시(Fig. 8), FCC 영역이 부분적으로 B2로 되돌아가는 것으로 나타나 이 전이의 초탄성 특성을 강조합니다.

[001] 방향 인장 시료의 σ-ε 곡선, 국소 구조별 색상 구분(파랑 = B2, 초록 = FCC, 빨강 = 비정질).

a RDF, b N-CSP 플롯 ([001] 방향 인장 시료). c-e 서로 다른 변형률에서의 CSP 분포.

Figure 7은 증가하는 변형률에서 yz 단면을 통한 격자 진화를 시각화합니다. 초기 B2 격자(ε = 0)는 직교하는 원자 배열을 표시합니다. ε ≈ 0.079-0.119에서 부분적 FCC 핵형성이 약 5° 편차와 함께 발생합니다. 변형률이 증가함에 따라 FCC 영역이 확장되고 재배향되어 최종적으로 <110> 면과 정렬됩니다(ε = 0.267). 이 회전은 B2→FCC 전이의 마르텐사이트 특성을 추가로 뒷받침합니다.

[001] 방향 인장 시료의 다양한 변형률에서 yz 단면, 국소 격자별 색상 구분(파랑 = B2, 초록 = FCC, 빨강 = 비정질).

다양한 최대 변형률(ε_max = 0.1, 0.2, 0.3)에서 언로딩할 때, 응력-변형률 경로(Fig. 8)는 로딩 곡선과 완전히 겹치지 않는 히스테리시스 루프를 나타내지만 탄성 선으로 돌아가며, 가역적인 초탄성 반응을 확인합니다. 히스테리시스는 정방향 B2→FCC 전이와 그 역방향 경로에서 기인합니다.

[001] 방향 인장에서 서로 다른 변형률로부터의 로딩 및 언로딩 σ-ε 곡선.

[001] 방향 압축은 독특한 경로를 따릅니다(Fig. 9). 초기 탄성 상승 후 응력이 평탄부로 하강했다가 2차 피크까지 다시 상승한 후 최종적으로 급격히 하강합니다. PTM 분석에 따르면 2차 피크까지 대부분의 원자가 B2로 유지되며, 이는 차등 결합 신장에 의한 B2→BCT 전이를 나타냅니다(Fig. 10). 격자 상수 a = b > c인 BCT 상은 균일한 변형과 Cu-Zr 층 분리를 통해 형성됩니다. 이후 응력 감소는 국소적 비정질화에 대응합니다.

[001] 방향 압축 시료의 반응. a σ-ε 곡선과 대표적 원자 구성, PTM 식별 국소 구조별 색상. b N-CSP 플롯.

[001] 방향 압축 시료의 결합 길이 진화, 결합 길이별 색상 구분.

[110] 방향 인장에서는(Fig. 11), 초기 항복 피크 후 Cu-Zr 층 분리에 의해 구동되는 국소적 B2→HCP 전이로 인해 급격한 하강이 발생합니다. 변형률이 증가함에 따라 HCP 상이 성장하여 시료 전체가 변환됩니다(점 C). 이후 추가 변형은 국소적 비정질화와 최종 응력 하강으로 이어집니다. X-OY 단면(Fig. 11b-c)은 핵심 원자 재배열을 드러냅니다: ε = 0.150에서 Cu와 Zr 층이 분리되어 B2→HCP 전이를 개시합니다.

a [110] 방향 인장의 변형 거동, PTM별 색상. b, c ε = 0 및 0.150에서 X-OY 평면의 원자 단면.

결론

B2 CuZr을 [001], [110], [111] 방향을 따라 일축 로딩하는 MD 조사는 네 가지 핵심 결과를 도출했습니다:

1. 기계적 반응은 뚜렷한 인장-압축 비대칭성을 보이며, 파괴는 국소적 비정질화에 의해 지배됩니다.
2. 세 가지 독특한 방향 의존적 상전이가 발생합니다: [001] 인장/압축에서 B2→FCC 및 B2→BCT, [110] 인장에서 B2→HCP.
3. 각 전이는 고유한 메커니즘을 따릅니다: B2→FCC는 ~5° 격자 회전, B2→BCT는 균일한 변형과 Cu-Zr 층 분리, B2→HCP는 Cu-Zr 층 분리에 의해.
4. 비정질화 전에 언로딩 시 변환 영역이 부분적으로 회복되어 초탄성을 입증합니다.

이러한 통찰은 나노결정질 CuZr의 변형 경로를 명확히 하며, 맞춤형 인성을 가진 BMG 복합체 설계에 지침을 제공합니다.