B2 CuZr 的取向依赖性相变：分子动力学模拟洞察

摘要

B2 CuZr 相常被引入体金属玻璃以增强韧性，但其在不同加载取向下的相变响应尚不完全清楚。通过分子动力学模拟，我们研究了沿 [001]、[110] 和 [111] 方向单轴拉伸和压缩下 B2 CuZr 的行为。结果揭示了显著的拉压不对称性，失效主要由局部非晶化主导。我们确定了三种不同的取向依赖性转变：[001] 向拉伸时的 B2→FCC 和压缩时的 B2→BCT，以及 [110] 向拉伸时的 B2→HCP。这些转变分别通过约 5° 晶格旋转、均匀变形和 Cu/Zr 层分离发生。重要的是，在非晶化发生前，转变区在卸载时可部分恢复，展现出超弹性响应。

引言

体金属玻璃（BMG）兼具优异的强度、弹性和耐腐蚀性，但其通过局部剪切带的脆性失效限制了广泛应用。嵌入延性 B2 CuZr 颗粒已被证明能有效缓解这一缺陷，提供了一种仍在深入研究中的增韧机制 [1–11]。在 CuZr 基 BMG 复合材料中，B2 相可在负载下结晶形成，随后发生孪生和位错滑移，改变母体基质的力学响应 [12]。因此，理解增强用 CuZr 颗粒的变形行为对于设计高性能 BMG 至关重要。

B2 CuZr 合金是一种典型的形状记忆合金，在特定热力条件下能恢复原状，这与传统晶体材料以位错滑移或孪生为主的变形机制截然不同 [13,14]。第一性原理计算提供了吸附和界面现象的原子尺度洞见 [18–22]，但无法捕捉相关长度和时间尺度上的相变动态演化。相比之下，分子动力学（MD）模拟为详细研究力学性能和变形机制提供了强有力的方法 [23–31]。先前的 MD 工作揭示了截面和温度对 Cu-Zr 纳米线相变的影响，以及拉压不对称性 [32–34]。此外，原子间势函数的选择会影响 B2 到 BCT 马氏体转变的预测 [13,35–36]。

晶体各向异性深刻影响变形机制；不同加载方向可激活位错滑移、孪生或相变等不同过程 [37–40]。对于 B2 CuZr，其原子排列类似于体心立方（BCC）晶格，但两种元素的存在引入了额外复杂性。在 BMG 复合材料中，增强颗粒随机取向，因此相对于颗粒晶体学的加载方向将调节增韧效果。因此，有必要系统研究 B2 相在沿多个取向单轴拉伸和压缩下的行为。

本研究通过一系列 MD 模拟，考察沿 [001]、[110] 和 [111] 取向的 B2 CuZr 单晶在单轴拉伸和压缩下的表现，以阐明取向依赖的相变路径及其相关的拉压不对称性。

方法

我们采用 Mendelev 等人 2016 年开发的嵌原子法（EAM）势函数 [47]，该势函数能准确再现 CuZr 的层错能和晶体学性质。构建了三个加载轴分别沿 [001]、[110] 和 [111] 的单晶样品，如图 1 所示。加载前，通过共轭梯度（CG）能量最小化，随后在 300 K（零压力）下进行 20 ps 的 NPT 平衡，获得松弛的初始构型。

以 10⁹ s⁻¹ 的应变率施加单轴应变，这是纳米尺度 MD 研究的典型范围，其中应变率敏感性可忽略 [48,49]。采用带 Nose-Hoover 压力控制的 NPT 系综保持横向应力为零，确保横向方向体积不变。所有方向均施加周期性边界条件。

轴向 z 分别沿 a [001]、b [110] 和 c [111] 的样品，按原子类型着色。

使用多面体模板匹配（PTM）[52] 识别局部晶体结构，该方法在热波动和应变下保持鲁棒性。PTM 输出映射为颜色：蓝色（BCC/B2）、绿色（FCC）、红色（HCP/层错）、紫色（SC）、白色（晶界或位错核）。同时计算每个原子的中心对称参数（CSP）以量化局部无序程度（公式 1）[53]。

所有 MD 数据使用 Ovito 进行可视化 [54]。

结果与讨论

应力-应变曲线

图 2 展示了三个取向在拉伸和压缩下的 σ-ε 曲线。初始线性区反映弹性行为；斜率给出杨氏模量值（表 1），显示 [001] 取向最软，[111] 最硬，与 BCC 铁的各向异性一致 [40]。应力峰值及随后的下降对应非弹性变形的开始。出现了三种不同的峰后行为：（I）应力快速下降，（II）平台后出现二次峰，（III）锯齿状波动。这些差异表明取向依赖的转变路径。

拉伸（T）和压缩（C）下样品的 σ-ε 曲线。a [001]，b [110]，c [111]。

失效行为

沿 [110] 和 [111] 压缩时，σ-ε 曲线呈现急剧下降，伴随混合相区出现（图 3）。径向分布函数（RDF）确认这些区域为非晶态，而剩余 B2 区域保持晶体。未检测到位错核生，表明局部非晶化是主要失效机制。类似行为见于 [001] 和 [110] 向拉伸及 [001] 向压缩（图 4），混合区被 FCC 或 HCP 相包围，暗示 B2 晶格在非晶化前先转变为这些结构。

压缩下样品的原子构型和 RDF。a–d 沿 [110]，e–h 沿 [111]。

失效应变时样品的原子构型。a [001] 向拉伸，b [110] 向拉伸，c [111] 向压缩。

相变

图 5 追踪了 [001] 向拉伸测试的演变。初始 B2 晶格完好（ε = 0.079）。在 ε ≈ 0.082 处，局部 B2→FCC 转变启动，导致首次应力下降。随变形继续，FCC 相生长，至 ε = 0.242 时整个样品已转变为 FCC（图 5）。该转变伴随约 5° 晶格旋转和 Cu-Zr 层分离的逐渐消失。CSP 分析（图 6）显示低 CSP（<1）原子数随应变增加，表明从不完美到完美 FCC 的演进。卸载时（图 8），FCC 区部分恢复为 B2，凸显转变的超弹性本质。

[001] 向拉伸样品的 σ-ε 曲线，按局部结构着色（蓝 = B2，绿 = FCC，红 = 非晶）。

a RDF，b N-CSP 图。c–e 不同应变下的 CSP 分布。

图 7 通过 yz 切片展示了不同应变下的晶格演变。初始 B2 晶格（ε = 0）呈正交原子阵列。在 ε ≈ 0.079–0.119 间，部分 FCC 核生并伴随约 5° 偏离。随应变增加，FCC 区扩展并重新取向，最终与 <110> 面对齐（ε = 0.267）。这一旋转进一步支持了 B2→FCC 转变的马氏体特征。

[001] 向拉伸样品在不同应变下的 yz 切片，按局部晶格着色（蓝 = B2，绿 = FCC，红 = 非晶）。

从不同最大应变（ε_max = 0.1, 0.2, 0.3）卸载时，应力-应变路径（图 8）显示不完全重合加载曲线的滞回环，但均返回弹性线，确认了可逆的超弹性响应。滞回源于正向 B2→FCC 转变及其逆向路径。

从不同应变卸载的 [001] 向拉伸加载-卸载 σ-ε 曲线。

[001] 向压缩遵循不同路径（图 9）。初始弹性上升后，应力降至平台，再升至二次峰值，最后急剧下降。PTM 分析显示大多数原子在二次峰前保持 B2，表明 B2→BCT 转变由差异键长伸长驱动（图 10）。BCT 相晶格参数 a = b > c，通过均匀变形和 Cu-Zr 层分离形成。随后应力下降对应局部非晶化。

[001] 向压缩样品的响应。a σ-ε 曲线及典型原子构型，原子按 PTM 识别的局部结构着色。b N-CSP 图。

[001] 向压缩样品键长演变，按键长着色。

[110] 向拉伸时（图 11），初始屈服峰后急剧下降，局部 B2 转变为 HCP，由 Cu-Zr 层分离驱动。随应变增加，HCP 相生长至全样品转变（点 C），进一步变形导致局部非晶化和最终应力下降。X-OY 切片（图 11b-c）揭示关键原子重排：在 ε = 0.150 时 Cu 和 Zr 层解耦，启动 B2→HCP 转变。

a [110] 向拉伸变形行为，按 PTM 着色。b、c ε = 0 和 0.150 时 X-OY 平面原子切片。

结论

我们对沿 [001]、[110] 和 [111] 单轴加载的 B2 CuZr 进行 MD 研究，揭示四大关键发现：

1. 力学响应表现出明显的拉压不对称性；失效由局部非晶化主导。
2. 发生三种取向依赖的相变：[001] 向拉伸/压缩下的 B2→FCC 和 B2→BCT，以及 [110] 向拉伸下的 B2→HCP。
3. 每种转变遵循独特机制：B2→FCC 约 5° 晶格旋转，B2→BCT 均匀变形和 Cu-Zr 层分离，B2→HCP 为 Cu-Zr 层解耦。
4. 转变区在非晶化前卸载可部分恢复，展现超弹性。

这些洞察阐明了纳米晶 CuZr 的变形路径，指导设计具有定制韧性的 BMG 复合材料。