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Jul 25, 2023

Lokale Atomstrukturstudien der Zr55Cu35Al10-Legierung um Tg herum

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9207 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Als Ergebnis der Untersuchung der Struktur der Zr55Cu35Al10-Legierung um die Glasübergangstemperatur (Tg) mithilfe klassischer Molekulardynamiksimulationen wurde nachgewiesen, dass sich die Atombindungen in den Verbindungszonen (i-Zonen) bei geringer Energieabsorption lockerten und es wurden leicht freie Volumina, wenn sich die Temperatur Tg näherte. Anstelle von i-Zonen wurde die feste amorphe Struktur in einen unterkühlten flüssigen Zustand umgewandelt, wenn die Cluster weitgehend durch freie Volumennetzwerke getrennt waren, was zu einem starken Festigkeitsabfall und einer großen Plastizitätsänderung von einer begrenzten plastischen Verformung zur Superplastizität führte.

Es wurde angenommen, dass die atomare Verteilung der Flüssigkeit bei der Temperatur über dem Liquidus zufällig und gleichmäßig sei. Mit der Entwicklung verschiedener Nachweistechniken wurde jedoch festgestellt, dass die Atome in der Flüssigkeit eine Nah- und Mittelordnung aufwiesen. Ein neues glasartiges Metall mit weitreichend ungeordneten Atomanordnungen – metallische Gläser wurden oft als gefrorene metallische Flüssigkeit bezeichnet. Das topologische Modell der völlig ungeordneten Anordnung von Atomen wurde lange Zeit nach der Entdeckung der amorphen Legierung mit dem Atomanordnungsmodell einer amorphen Legierung gleichgesetzt1,2,3,4,5. Unter dem freien Volumen versteht man den Volumenunterschied zwischen der völlig ungeordneten Anordnung der Atome und der geordneten Anordnung der Kristallformen. Der Anteil freier Volumina wird häufig durch die Volumenänderungen amorpher Legierungen vor und nach der Kristallisation bestimmt. Das Konzept des freien Volumens wird häufig zur Erklärung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Metallgläsern verwendet6,7,8,9,10. Forscher haben jedoch herausgefunden, dass die bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten hergestellten Metallgläser unterschiedliche mechanische Eigenschaften besitzen und die bei unterschiedlichen Flüssigkeitstemperaturen hergestellten Metallgläser unterschiedliche thermische Eigenschaften haben und unterschiedliche Kristallisationsprozesse aufweisen, was bedeutet, dass die atomare Anordnung in der gefrorenen Metallflüssigkeit unterschiedlich ist Da die gefrorenen Gewebe bei unterschiedlichen Temperaturen nicht vollständig ungeordnet sind, sollten sie eine entsprechende kurz- und mittelbereichsgeordnete Struktur aufweisen, die sich mit der Abkühlgeschwindigkeit ändert11,12.

Metallische Gläser weisen aufgrund ihrer einzigartigen Strukturmerkmale eine extrem hohe Festigkeit nahe dem theoretischen Wert und eine ungewöhnlich große elastische Dehnung auf13,14,15. Im Vergleich zu Aluminium, Titan, Kupferlegierungen und Stahl ist die Festigkeit von Metallgläsern auf Zr-Basis mehr als doppelt so hoch wie die von Ti6Al4V und 17-4ss-Edelstahl. Die lineare elastische Dehnung bleibt idealerweise bis zur Streckgrenze erhalten, die mehr als doppelt so hoch ist wie bei gewöhnlichen Legierungen. Obwohl metallische Gläser eine extrem hohe mechanische Festigkeit und physikalische Eigenschaften aufweisen, ist ihre makroskopische Plastizität sehr gering. Nach der großen linearen elastischen Verformung und dem Erreichen der Streckgrenze wird das Metallglas durch eine stark lokalisierte Scherbandbewegung verformt16,17,18,19. Die Dicke der Scherbänder beträgt nur einige zehn Nanometer. Obwohl es in der Scherzone zu einer starken Verformung kommt, bricht das metallische Glas nur, wenn mehrere oder nur eine Scherzone verformt wird, so dass die Duktilitätsverformung, die weit unter 1 % liegt, oft nach Erreichen der Scherzone gebrochen ist Ertragsgrenze20,21,22.

Das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehung ist das grundlegende Ziel für die Untersuchung atomarer Strukturen. Es ist wichtig, die Beziehung zwischen den Strukturmodellen und den physikalischen und mechanischen Eigenschaften glasartiger Materialien zu klären23,24. Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) ergab eine Energieabsorption von 0,79 W/g während des Glasübergangs. Wenn das Zr-basierte Metallglas jedoch bei Raumtemperatur vom amorphen Feststoff in den unterkühlten flüssigen Zustand übergeht, muss es nur wenig Energie absorbieren, begleitet von einem starken Festigkeitsabfall von 2000 auf 70 MPa und einer großen Änderung der Plastizität von begrenzt plastische Verformung zur Superplastizität. Wie verändert die Absorption geringer Energie die Atomstruktur von BMGs und führt zu flüssigkeitsähnlichen mechanischen Eigenschaften? Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen hängen nicht nur mit der geometrischen Atompackung zusammen, sondern auch mit den Bindungseigenschaften zwischen Atomen, wobei die Bindungslänge einer der wichtigsten Faktoren ist29,30.

Zuletzt wurde die atomare Struktur der metallischen Gläser sorgfältig charakterisiert, basierend auf Untersuchungen der Atombindungslängen und Atompackungen lokaler Atomstrukturen mithilfe hochintensiver Neutronen, hochenergetischer Synchrotronbeugungstechnologien und Molekulardynamiksimulationen (MD). . Die Ikosaeder, die als grundlegende lokale Struktur in den metallischen Gläsern identifiziert wurden, werden in den letzten Jahren umfassend untersucht. Celtek et al. präsentierten, dass Al einen viel größeren Einfluss auf die Bildung der ikosaedrischen Nahordnung (SRO) hat als Ag und die Zr50Cu30Al20-Legierung die beste Glasbildungsfähigkeit im Zr50Cu50−xAlx (x = 0, 10, 20, 30, 40 und 50) aufweist ) Legierungen durch Durchführung von MD-Simulationen25,26. Zhang et al. berichteten, dass das verzerrte Ikosaeder ⟨0, 1, 10, 2⟩ mithilfe von Ab-initio-MD-Simulationen als grundlegender SRO in vielen metallischen Mehrkomponentengläsern identifiziert wurde27. Shimono et al.28 betrachteten mithilfe von MD-Simulationen ein zufälliges Netzwerk aus Frank-Kasper-Clustern, die von ikosaedrischen Clustern umgeben sind, als grundlegende Struktur mittlerer Ordnung in metallischen Gläsern. In dieser Forschung wurde das Tight-Bond-Cluster-Modell für die Metallgläser übernommen29,30,31,32,33,34,35,36,37. Das Tight-Bond-Cluster-Modell umfasst hauptsächlich Cluster, Verbindungszonen (i-Zonen) und freie Volumina und kann als Cluster beschrieben werden, die durch i-Zonen miteinander verbunden sind und sich zwischen den Clustern freie Volumina bilden. Das Konzept der i-Zonen spielt in diesem Modell eine wichtige Rolle29,30,31. Die nächsten Nachbaratome werden in Cluster-, i-Zonen- und freie Volumenatombindungen eingeteilt. In verschiedenen Legierungssystemen kann die Quantifizierung des Clusters, der i-Zone und der Bindungslänge im freien Volumen definiert werden, indem die metallische Glasstruktur mit der entsprechenden Kristallisationsstruktur verglichen wird, die aus dem Experiment entsprechend dem Radius verschiedener Elemente in einem bestimmten System erhalten wurde System32,33,34,35,36,37. Das Tight-Bond-Cluster-Modell ermöglicht uns die quantitative Charakterisierung lokaler Atomstrukturen in amorphen Legierungen und trägt so zur Erklärung des oben genannten Phänomens bei.

In unserer Arbeit werden die von Sheng et al. vorgeschlagenen Potentiale der klassischen Molekulardynamik mit eingebetteten Atommethoden (EAM) untersucht. wurden verwendet, um die Strukturen der Zr55Cu35Al10-Legierung im Bereich der Glasübergangstemperatur (Tg)5 zu untersuchen. In der Simulation wurde die kubische Zelle mit einer anfänglichen Anordnung von 16.000 Atomen festgelegt, und Zr-, Cu- und Al-Atome wurden entsprechend der Zusammensetzung der Legierung zufällig erzeugt, und die anfängliche Geschwindigkeitsverteilung gehorchte der Maxwell-Boltzmann-Verteilung. Der gesamte Prozess wurde unter den dreidimensionalen periodischen Randbedingungen im NPT-Ensemble mit einem Nose-Hoover-Thermostat zur Temperaturregelung und einem Nose-Hoover-Barostat zur Druckregelung durchgeführt. Der Außendruck wird auf Null gesetzt. Zunächst wurde die anfängliche Systemtemperatur auf 2,5 K eingestellt und dann die Temperatur auf 2000 K erhöht, um die ursprüngliche Struktur aufzubrechen und eine ausgewogene Flüssigkeitsstruktur zu erhalten. Anschließend wurde das System mit einer Geschwindigkeit von 1010 K/s auf 300 K abgekühlt, um die feste amorphe Struktur zu erhalten. Die Tg in der Simulation wird bei etwa 730 K durch lineare Anpassung und Extrapolation der beiden Teile der Kurve der potentiellen Energie (PE) im Temperaturbereich von 300–600 K und 900–1200 K sowie der Strukturen bei den entsprechenden Temperaturen identifiziert Tg wurden erhalten.

Zur Beschreibung der Stärke zwischen Atomen wurde das Tight-Bond-Cluster-Modell verwendet. Die Clusterbindungen werden mit Atomen mit starker Bindung gebildet; die freien Volumenbindungen weisen eine flüssigkeitsartige lockere Bindung auf; Die Stärke der I-Zonen-Anleihen liegt dazwischen. Durch den Vergleich der Paarverteilungsfunktionen (PDFs) für die nächsten Atompaare des gegossenen massiven metallischen Zr55Cu35Al10-Glases mit seinem vollständig kristallisierten Gegenstück, gemessen bei einer Temperatur von 15 K, wurden Cluster-, i-Zonen- und freie Volumenbindungen definiert31,32, 33. Die Anfangsabstände für die i-Zonen-Bindungen sind auf mindestens 2,8 % größer als ihre charakteristischen Atomradien festgelegt, die Anfangsabstände für die Bindungen im freien Volumen sind auf 9,6 % größer als ihre charakteristischen Atomradien und die Endpositionen für die Bindungen im freien Volumen festgelegt stehen am Ende der ersten Peaks in den entsprechenden Teil-PDFs. Darüber hinaus wird die Bindungsbildungsenergie für verschiedene Atome berechnet und wie folgt ausgedrückt:

\(E_{p,\alpha }\) stellt den PE dar, der aus der Simulation erhalten werden kann. \(E_{ref,\alpha }\) ist die Referenzenergie für den Atomtyp \(\alpha\). Als Referenzenergie wird das Kristall-PE (hcp Zr, fcc Cu und fcc Al) verwendet.

Abbildung 1 zeigt den Vergleich der Gesamt- und Teil-PDFs bei 300 K (fester amorpher Zustand) und 800 K (unterkühlter flüssiger Zustand). Aus den Gesamt- und Teil-PDFs ist ersichtlich, dass der Hauptunterschied im ersten Peak besteht. Die Stärke des ersten Peaks nimmt bei 300 K deutlich zu und die Peakbreite nimmt ab, was bedeutet, dass es bei 300 K mehr Atompaare mit kurzer Bindungslänge gibt und es bei 800 K eher möglich ist, Atompaare mit langer Bindungslänge in der Nähe des Tals des ersten Peaks zu bilden K. Für die partiellen PDFs (ZrZr, ZrCu, ZrAl, CuCu und CuAl) ist die Spitzenstärke der PDF-Kurven für ungleiche Atompaare (ZrCu, ZrAl und CuAl) viel stärker als die der ähnlichen Atompaare (ZrZr und). ZrCu). Das AlAl-Teil-PDF wird hier wegen der geringen Al-Konzentration und der schlechten Statistiken zur Berechnung des AlAl-Teil-PDF nicht dargestellt. Aus Abb. 2 geht hervor, dass von 300 bis 800 K der Anteil der vorhandenen i-Zonen-Atombindungen leicht abnimmt, der Anteil der freien Volumen-Atombindungen zunimmt und der Anteil der Cluster-Atombindungen insgesamt deutlich abnimmt System und Zr-, Cu- und Al-zentrierten Atompaaren, entsprechend dem Unterschied im ersten Peak der PDFs bei 300 K und 800 K. Für die Al-zentrierten Atombindungen erreicht der Anteil der Cluster-Atombindungen etwa 0,68 ist viel höher als die der Zr-zentrierten Atombindungen. Der Al-Gehalt ist in der Zr55Cu35Al10-Legierung am geringsten, aber der Anteil der Atombindungen des Al-Clusters ist am größten, was darauf hindeutet, dass die Bindung zwischen ungleichen Atompaaren Al-Zr oder Al-Cu tendenziell stark ist.

Vergleich der Gesamt- und Teilpaarverteilungsfunktionen (PDFs) bei 300 K und 800 K.

Die Variation der Anteile des Clusters, der Verbindungszone (i-Zone) und der Atombindungen im freien Volumen von 300 bis 800 K im gesamten System und in Zr-, Cu- und Al-zentrierten Atompaaren.

Abbildung 3 zeigt den Anteil und die Energieverteilung verschiedener Atompaare (Zr–Zr, Zr–Cu, Zr–Al, Cu–Cu, Cu–Al und Al–Al). In dieser Abbildung werden die charakteristische Position, die Startposition der Atombindungen der i-Zone und die Startposition der Atombindungen des freien Volumens für verschiedene Atompaare durch die roten, orangefarbenen und violetten Linien angezeigt. Die Atompaare zwischen der orangefarbenen Linie und der violetten Linie gehören zu i-Zonen-Atombindungen, die Atompaare links von der orangefarbenen Linie gehören zu Cluster-Atombindungen und die Atompaare rechts von der violetten Linie gehören zu Atombindungen im freien Volumen . Die Bruchkurven weisen grundsätzlich eine Gaußsche Verteilung auf, und die charakteristische Position liegt rechts von der Peakposition für verschiedene Atompaare. Durch den Vergleich der Fraktionskurven von 300 K und 800 K wird festgestellt, dass sich die Peakposition grundsätzlich nicht ändert, während die Peakintensität deutlich abnimmt und die Peakbreite zunimmt, was auf die Abnahme der Cluster-Atombindungen und die Zunahme der Atombindungen im freien Volumen hinweist . Die Energieverteilungskurven sind „U“-förmig, nehmen zunächst ab und nehmen dann zu, wenn der Abstand des Atompaars bei 300 K und 800 K zunimmt. Der Teil mit niedriger Energie liegt am stärksten zwischen der orangefarbenen und violetten Linie, was der i-Zone entspricht Atombindungen. Daraus folgt, dass die i-Zone ein wichtiger Teil der Struktur ist und ihre Existenz die Energie des Systems reduzieren kann, was einen großen Beitrag zur Erklärung des oben genannten Phänomens leistet.

Die Änderung des Anteils und der Energie verschiedener Atompaare (Zr–Zr, Zr–Cu, Zr–Al, Cu–Cu, Cu–Al und Al–Al) als Funktion des Atompaarabstands bei 300 K und 800 K K.

Die Atomanordnungen können in der Simulation „physikalisch“ gesehen werden. Abbildung 4 zeigt einen Cluster mit i-Zonen und freien Volumes. Das Zentrum des Clusters ist Al, und die nächsten umgebenden Atome sind Zr, das Zr-Al-Paare bildet, mit Ausnahme eines Cu-Al-Paars. Die durch die grünen Balken dargestellten Anleihen stellen I-Zonen dar, und die roten Balken zeigen freie Volumina an. Die Anleihen in den grünen Balken sowie die in den roten Balken sind nicht isoliert. Sie sind miteinander verbunden. So lässt sich leicht feststellen, dass drei Bindungen in grüner Farbe ein gemeinsames Atom haben, und das Gleiche gilt auch für die roten Bindungen. Das bedeutet, dass sie als Bereiche existieren, die in der Lage sind, Netzwerke im dreidimensionalen Raum zu bilden. Die Konfiguration der i-Zone- und Free-Volume-Netzwerke dürfte bei metallischen Gläsern sehr wichtig sein.

Al-zentrierter Cluster, umgeben von i-Zonen und freien Volumina in lokaler Atomstruktur. Clusterbindungen sind in schwarzer Farbe, i-Zonen in grüner Farbe und freies Volumen in roter Farbe.

Die Strukturen von 300 bis 800 K werden ausgewählt, um eine gründliche Analyse durchzuführen. Wenn man die Atome in der Simulation von 300 bis 800 K verfolgt, stellt man fest, dass alle Atome nur eine kurze Distanzwanderung machen, was zur Expansion des Systems führt, wobei die Schalenatome im Wesentlichen unverändert bleiben. Wenn die Temperatur von 300 auf 800 K steigt, vergrößert sich der Abstand zwischen Atompaaren, einige der Atombindungen des Clusters verwandeln sich in Atombindungen der i-Zone und setzen Energie frei, während einige Atombindungen der i-Zone sich in Atombindungen des freien Volumens verwandeln und Energie absorbieren. Das Fehlen einer Fernwanderung von Atomen und der Transformationen zwischen dem freien Volumen, der i-Zone und den Clusterbindungen sollte der Hauptgrund dafür sein, dass die erforderliche Energie für die Änderung der Struktur vom festen, amorphen Zustand bei Raumtemperatur in die unterkühlte Flüssigkeit so gering ist. Die Struktur hat jedoch enorme Veränderungen erfahren. Bei einer Temperatur von 300 K ist der Anteil der Cluster-Atombindungen sehr hoch und der Anteil der i-Zonen-Atombindungen viel höher als der der freien Volumen-Atombindungen. Wenn die Temperatur 800 K erreicht, nimmt der Anteil der Cluster-Atombindungen deutlich ab, der Anteil der freien Volumen-Atombindungen hat den Anteil der i-Zonen-Atombindungen überschritten. Durch die Nutzung der Cluster und I-Zonen werden mehr freie Volumina gebildet. Die Cluster sind hauptsächlich durch freie Volumina und nicht durch i-Zonen verbunden. Die Cluster könnten sich leichter bewegen und drehen und so einen viskosen flüssigen Zustand bilden. Daher kommt es zu einem starken Abfall der Festigkeit und einem starken Anstieg der Plastizität, wenn die Temperatur über Tg liegt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Umwandlung von Legierungen auf Zr-Basis vom amorphen festen Zustand in den unterkühlten flüssigen Zustand nur eine sehr geringe Energieabsorption erfordert, dennoch haben die mechanischen Eigenschaften von amorphen Legierungen auf Zr-Basis große Veränderungen erfahren, einschließlich einer starken Abnahme der Festigkeit und eines starken Steigerung der Plastizität. Die Änderung der Festigkeit und Plastizität kann auf die Variation der Verteilung der i-Zonen und freien Volumina um die Cluster zurückgeführt werden. Wenn sich die Temperatur Tg nähert, werden die Atombindungen der i-Zone bei geringem Energiegewinn lockerer und gehen leicht in freie Volumina über. Wenn mehr Cluster von freien Volumina anstelle der i-Zonen umgeben sind, wird die amorphe Struktur in die Struktur einer unterkühlten Flüssigkeit umgewandelt, was zu einer großen Änderung der Festigkeit und Plastizität führt, da sich die von dem freien Volumen umgebenen Cluster reibungslos bewegen können.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Jingfeng Zhao & Genyu Zhu

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JZ und XZ haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben. YC und CS haben die Abbildungen 1 und 2 erstellt. JL hat die Abbildungen 3 und 4 erstellt. GZ hat das Manuskript geändert. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Xuefeng Zhou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhao, J., Chen, Y., Shao, C. et al. Lokale Atomstrukturstudien der Zr55Cu35Al10-Legierung um Tg herum. Sci Rep 13, 9207 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36524-3

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Eingegangen: 30. März 2023

Angenommen: 05. Juni 2023

Veröffentlicht: 06. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36524-3

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