Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Доклад'
Введение: Данный Доклад составлен в целях исполнения Постановления Главы администрации МО Ширинский район № 113 от 29 января 2008 года « О совершенст...полностью>>
'Закон'
Статья 48 Конституции Российской Федерации гарантирует каждому право на получение квалифицированной юридической помощи, которая в случаях, предусмотр...полностью>>
'Тесты'
Данное пособие представляет собой отдельный тематический блок (маршрут) предмета и состоит из нескольких разделов. Каждый раздел несет свою смысловую...полностью>>
'Документ'
Шиян Б.М., Вацеба О.М. Теорія і методика наукових педагогічних досліджень у фізичному вихованні та спорті: Навчальний посібник. – Тернопіль: Навч.кни...полностью>>

Исследование атомных механизмов структурных превращений вблизи границ зерен кручения в гцк металлах

Главная > Исследование
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

Мартынов Алексей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АТОМНЫХ МЕХАНИЗМОВ СТРУКТУРНЫХ

ПРЕВРАЩЕНИЙ ВБЛИЗИ ГРАНИЦ ЗЕРЕН КРУЧЕНИЯ

В ГЦК МЕТАЛЛАХ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

Барнаул – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»,

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент

Полетаев Г.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Демьянов Б.Ф.

доктор физико-математических наук, профессор

Глезер А.М.

Ведущая организация:

Сибирский физико-технический институт

им. акад. В.Д. Кузнецова

Защита состоится « 27 » декабря 2011 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук

Романенко В.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшими структурными дефектами металлических материалов, обуславливающими многие их физико-механические свойства, являются границы зерен. Границы зерен оказывают определяющее влияние на прочность, пластичность, ползучесть, на процессы разрушения, плавления, диффузии, рекристаллизации и прочие. Несмотря на большое число исследований границ зерен, в настоящее время остается ряд вопросов, касающихся как структуры границ, так и структурных изменений вблизи них в процессе температурно-силовых воздействий.

Границы зерен по положению оси разориентации делятся на два типа, представляющих собой крайние случаи: границы наклона и кручения. В случае границ наклона ось разориентации, то есть ось, вокруг которой одно кристаллическое зерно повернуто относительно другого, лежит в плоскости границы. В случае границ кручения – ось разориентации перпендикулярна этой плоскости. Менее изученными, как с точки зрения атомной структуры, так и с точки зрения процессов, происходящих с их участием, являются границы кручения.

Исследование атомной структуры границ кручения в настоящее время находится в начальном состоянии. В частности, для многих типов малоугловых границ кручения не проведена идентификация зернограничных дислокаций, не получены зависимости энергии границ от угла разориентации.

Диффузия по границам зерен, как известно, протекает значительно интенсивнее, чем в объеме зерен. Несмотря на длительную историю исследования диффузии по границам зерен, представление об атомных механизмах зернограничной диффузии до настоящего времени остается неполным.

Диффузионные свойства деформированных металлов и сплавов зависят от величины деформации и скорости деформирования. Механизм влияния деформации на диффузию по различным кристаллографически определенным границам зерен изучен слабо, тем более на атомном уровне. Кроме того, безусловный интерес представляет атомный механизм пластической деформации с участием границ зерен.

Решение указанных вопросов с помощью реальных экспериментов весьма затруднительно, поскольку для этого необходимы исследования структуры и ее динамики на атомном уровне. В данном случае наиболее эффективным является применение метода компьютерного моделирования, который позволяет с достаточной точностью в рамках модели учитывать и контролировать параметры исследуемого явления, изучать в динамике процессы, протекающие на атомном уровне с использованием различных наглядных визуализаторов структуры.

Таким образом, представляется актуальным исследование методом компьютерного моделирования атомной структуры границ зерен и характера протекания вблизи них диффузионных процессов.

Цель работы заключается в изучении с помощью метода молекулярной динамики атомной структуры границ кручения в ГЦК металлах, механизма и особенностей диффузии по данным границам.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые проведена идентификация винтовых дислокаций в малоугловых границах кручения (100), (110), (111) в ГЦК металлах. Для рассматриваемых границ в Ni, Cu, Al найдены зависимости энергии границ кручения от угла разориентации при использовании двух типов потенциалов межатомного взаимодействия: парного Морза и многочастичного Клери-Розато. Проведено исследование взаимодействия точечных дефектов с границами кручения, рассчитаны энергии связи вакансий и междоузельных атомов с границами. Получены характеристики самодиффузии по рассматриваемым границам, как для структурно «чистых», так и содержащих внесенные точечные дефекты. Оценен вклад внесенных точечных дефектов в самодиффузию по границам кручения. Выяснен атомный механизм диффузии по малоугловым границам кручения. Проведено исследование самодиффузии по границам кручения в условиях одноосной деформации.

Достоверность результатов обеспечивается применением известных и апробированных методик (метод молекулярной динамики, методика определения параметров потенциалов межатомного взаимодействия), и сравнением полученных результатов с результатами экспериментальных и теоретических работ других авторов.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для развития теории диффузии и процессов с ней связанных по границам зерен, для создания математических моделей зернограничной диффузии, учитывающих атомную структуру границ и механизм диффузии, обнаруженные в настоящей работе. Полученные с помощью компьютерного моделирования структура границ зерен и варианты ее перестроек могут применяться для анализа электронно-микроскопических изображений высокого разрешения. Кроме того, результаты молекулярно-динамических исследований могут быть использованы в качестве демонстрационного материала для студентов физических специальностей, на их базе возможно создание работ для лабораторного практикума.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Диффузия по малоугловым границам кручения осуществляется посредством кооперативного смещения атомов вдоль ядер зернограничных винтовых дислокаций с образованием цепочек смещенных атомов, начинающихся и заканчивающихся в узлах дислокационной сетки.

2. Внесенные точечные дефекты в границах кручения располагаются преимущественно в узлах дислокационной сетки. При этом наибольшей сорбционной способностью по отношению к точечным дефектам из рассмотренных границ обладают границы (110), наименьшей – границы (111).

3. Внесенные вакансии играют важную роль в диффузии по границам зерен кручения. Вклад в диффузию, обусловленный миграцией внесенных вакансий, существенно выше других вкладов (миграции атомов по структурно «чистым» границам, миграции внесенных междоузельных атомов).

4. Растяжение бикристалла вдоль плоскости границы кручения приводит к интенсификации зернограничной диффузии, обусловленной трансформацией дислокационной сетки. Деформация в направлении перпендикулярном границе влияет на диффузию слабее.

Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и российских конференциях: XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященных 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н.Н. Давиденкова, Санкт-Петербург (2010); 6th International Conference on Materials Structure and Micromechanics of Fracture (MSMF6), Brno, Czech Republic (2010); International conference “Fundamental and applied aspects of external fields action on materials”, Новокузнецк (2010); V (XXXVII) Международная научно-практическая конференция «Образование, наука, инновации – вклад молодых исследователей», Кемерово (2010); 7-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь – 2010» (НИМ-2010), Барнаул (2010); Международный симпозиум «Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций», Усть-Каменогорск, Казахстан (2010); Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2010» (УМЗНМ-2010), Уфа (2010); 6-я Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка (2010); Республиканская научно-практическая конференция «Казахстан: 20 лет независимости и инноваций», Усть-Каменогорск, Казахстан (2011).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 12 статьях в российских и зарубежных изданиях. Число публикаций в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, составляет 6.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 200 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы и 37 рисунков.

Работа выполнена в коллективе научной школы заслуженного деятеля науки РФ, д.ф.-м.н., профессора М.Д.Старостенкова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, описаны научная новизна, научная и практическая ценность, основные защищаемые положения. Дается краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации проводится обзор экспериментальных и теоретических данных о структуре границ зерен. Рассматриваются современные представления о механизмах зернограничной диффузии и динамики атомной структуры вблизи границ в условиях деформации. В конце первой главы сделана постановка задачи.

а) б)

Рис.1. Наблюдение структуры малоугловых границ зерен наклона (а) и кручения (б) с помощью электронного микроскопа. Фотографии взяты из [4, 5].

Структура границ описывается с помощью различных моделей. При малых углах разориентации удобнее пользоваться дислокационной моделью – граница зерен представляется в виде периодически расположенных дислокаций (дислокационной стенки или сетки). При повышении угла разориентации расстояние между ядрами дислокаций уменьшается, и при некотором значении угла ядра дислокаций сливаются друг с другом. Границы, имеющие угол разориентации больше этого значения, называются большеугловыми и описываются уже с использованием других структурных моделей, среди которых наиболее популярными являются модели структурных единиц и решетки совпадающих узлов. Относительно структуры малоугловых границ кручения в литературе говорится, что она аналогична структуре малоугловых границ наклона, за исключением того, что дислокации в границах кручения не краевые, как в границах наклона, а винтовые. При малых углах разориентации ядра винтовых дислокаций, соединяясь особым образом, образуют сетку с квадратными, прямоугольными или гексагональными ячейками [1-3]. В настоящее время, благодаря экспериментальным данным, полученным с помощью электронных микроскопов высокого разрешения, дислокационная структура малоугловых границ зерен не подлежит сомнению (рис.1).

Обычно полагается, что диффузия по границам зерен осуществляется посредством миграции вакансий или междоузельных атомов в плоскости границы. Вместе с тем, авторами работы [6], путем расчета энергии активации атомных скачков в различных направлениях в границе, показано, что миграция вакансии или междоузельного атома в межзеренной границе может иметь длиннопериодический характер, то есть включать одновременно несколько атомных перескоков, происходящих «без остановки». Исследования атомных механизмов диффузии по границам наклона в ГЦК металлах, проведенные в работах [7-9] с помощью метода молекулярной динамики, показали, что перемещения атомов в границе, как правило, не единичные, а коллективные, представляющие собой цепочки смещенных атомов «один за другим». В работах [7-9] было выяснено, что важную роль при этом играют изломы на зернограничных краевых дислокациях – цепочки атомных смещений начинаются и заканчиваются на изломах дислокаций.

В настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны границы кручения в Ni, Cu, Al, ориентированные в плоскостях (100), (110), (111) ГЦК решетки. Такой выбор обусловлен тем, что плоскости границ зерен с малыми индексами являются наиболее распространенными.

Вторая глава посвящена проблеме моделирования бикристалла с границами зерен кручения. В главе приводится описание метода молекулярной динамики, обосновывается выбор потенциалов межатомного взаимодействия, описываются методика построения и особенности моделей, используемых в настоящей работе, бикристаллов с границами кручения.

Рис.2. Схема создания расчетного блока с границей зерен кручения. θ – угол разориентации; ГЗ – граница зерен (серым цветом выделена плоскость границы); РБ – конечный расчетный блок (отмечен пунктирным контуром).

Граница кручения создавалась в середине расчетного блока путем поворота двух ГЦК кристаллов (двух половин блока) на угол разориентации вокруг оси, перпендикулярной границе (рис.2). Получающийся расчетный блок обрезался таким образом, чтобы он приобрел форму параллелепипеда и не содержал по краям пустот. Затем проводилась динамическая релаксация структуры, в ходе которой бикристалл переходил в равновесное состояние, при этом температура расчетного блока повышалась. В завершении релаксации выполнялась процедура охлаждения до 0 К.

Получаемая в результате атомная структура границ зерен могла быть метастабильной, поэтому она проверялась на стабильность путем нагрева до температуры близкой к температуре плавления и выдержки в течение относительно продолжительного времени (500 пс), в завершение чего расчетный блок вновь охлаждался.

Граничные условия в большинстве экспериментов задавались по всем осям жесткие, то есть крайним атомам расчетного блока запрещалось двигаться. Такой тип условий позволяет сохранить положение границы зерен с заданными изначально геометрическими параметрами. Количество атомов в расчетном блоке составляло от 30000 до 40000, что примерно соответствует размеру расчетного блока 7×7×7 нм. Шаг интегрирования по времени движения частиц в методе молекулярной динамики варьировался от 1 до 10 фс.

Для описания межатомных взаимодействий использовались для сравнения два типа потенциалов: парные потенциалы Морза и многочастичные Клери-Розато [10]. В первом случае потенциальная энергия i-го атома находится с помощью выражения

, (1)

во втором случае по формуле

. (2)

Здесь , , D, А, p, q, ξ, r0 – параметры потенциалов; rij – расстояние между i-м и j-м атомами. Параметры потенциалов Морза были взяты из работы [7], потенциалов Клери-Розато – из работы [10].

Третья глава диссертации посвящена исследованию атомной структуры и расчету энергии образования границ кручения (100), (110), (111) в ГЦК металлах Ni, Cu, Al с помощью метода молекулярной динамики.

а) б)

в)

Рис.3. Наложения идентичных атомных плоскостей с разных сторон границ зерен кручения θ=6º в Cu: а) (100), б) (110), в) (111). Атомы «ближней» плоскости изображены большими кружками, «дальней» – маленькими. Для наглядности линиями показаны атомные ряды обеих плоскостей (жирными – «ближней», тонкими – «дальней»). Атомам в серых приграничных областях в процессе структурной релаксации не позволялось двигаться (жесткие граничные условия).

Для идентификации винтовых зернограничных дислокаций в рассматриваемых границах использовалось наложение друг на друга идентичных атомных плоскостей, параллельных границе. Под идентичными плоскостями понимаются плоскости, атомы в которых при θ=0º при наложении совпадают. Такое наложение наглядно дает представление о наличии и характере винтовых дислокаций: ядро винтовой дислокации видно по параллельным «переходам» атомных рядов из одной плоскости в соседние идентичные атомные ряды другой. На рис.3. изображены наложения идентичных атомных плоскостей с разных сторон границ зерен θ=6º (100) (а), (110) (б) и (111) (в). Приведенные рисунки однозначно свидетельствуют в пользу дислокационной структуры малоугловых границ кручения. Так, границы (100) (рис.3а) содержат квадратную сетку винтовых дислокаций 1/2<110>. Границы (110) (рис.3б) – прямоугольную сетку винтовых дислокаций двух типов: 1/2<110> и 1<100>. Границы (111) (рис.3в) – гексагональную сетку винтовых дислокаций 1/4<112>.

С увеличением угла разориентации размеры ячеек дислокационной сетки уменьшались. При некотором угле ядра дислокаций начинали перекрываться, и было невозможно отделить одну дислокацию от другой. Переходный угол от малоугловых к большеугловым границам четко выделить не удалось, как это, например, было сделано для границ наклона в работах [7, 8]. Тем не менее, для границ (100) и (110) с помощью визуализатора распределения энергии дислокационная сетка просматривалась вплоть до углов разориентации θ=22-24º. При более высоких углах разориентации дислокационная модель неприемлема. Обычно в этом случае применяют модель структурных единиц. Однако в настоящей работе используется только дислокационная модель, поскольку на ее базе удобнее строить, как будет видно в следующей главе, представление о связи структуры границ с механизмом диффузионных процессов.

Следует отметить, что все описанные результаты относительно структуры границ были одинаковы для трех рассматриваемых металлов Ni, Cu, Al и не зависели от типа используемого потенциала межатомного взаимодействия: Морза или Клери-Розато.

На рис.4 приведены полученные в настоящей работе зависимости энергии границ кручения от угла разориентации для металлов Ni, Cu, Al при использовании двух типов потенциалов: Морза и Клери-Розато. Там же приведены графики зависимости обратной плотности совпадающих узлов Σ.

Энергия границ, полученная при использовании разных типов потенциалов, для Al и Cu отличается довольно сильно, для Ni отличие меньше. Так или иначе, для обоих типов потенциалов общий характер зависимостей сохраняется: с ростом θ до угла примерно 3º наблюдается резкий рост энергии образования границ кручения, затем этот рост становится менее интенсивным. Для границ (110) при угле около 30º энергия перестает расти и колеблется примерно вблизи одного значения. Явных резких «провалов» на графиках, соответствующих малым значениям обратной плотности совпадающих узлов Σ, не обнаружено. Если они есть (например, для границы (100) при углах 4º и 23º, для границы (110) – 39º, 50º и 71º, для границы (111) – 28º), то незначительно выражены на фоне других флуктуаций. По-видимому, это связано с тем, что на энергию границ большее влияние оказывает плотность совпадающих узлов вблизи самой границы, а не во всем объеме бикристалла, как принято рассчитывать величину Σ. Кроме того, немаловажное влияние оказывает структурная релаксация, в результате которой структура одного зерна подстраивается под структуру другого.

а)

б)

в)

Рис.4. Зависимости энергии границ кручения (100) (а), (110) (б), (111) (в) в Ni, Cu, Al и обратной плотности совпадающих узлов Σ от угла разориентации θ. Результаты получены при использовании двух типов потенциалов: парного Морза (М) и многочастичного Клери-Розато (CR).

В работе [11] методом компьютерного моделирования для границ кручения (100) в Cu θ=22,62º, 28,07º и 36,87º были получены значения энергии: 0,834, 0,91 и 0,999 Дж/м2 соответственно. В настоящей работе при использовании потенциалов Клери-Розато для тех же границ были получены энергии: 0,67, 0,71 и 0,78 Дж/м2. При использовании потенциалов Морза: 1,04, 1,16 и 1,28 Дж/м2. В работе [12] теми же авторами для границ кручения (110) в Cu θ=39º и 71º были получены значения энергии: 1,35 и 1,4 Дж/м2 соответственно. В настоящей работе при использовании потенциалов Клери-Розато для тех же границ были получены энергии: 1,12 и 1,18 Дж/м2. При использовании потенциалов Морза: 1,66 и 1,68 Дж/м2. Как видно из сравнения, значения энергии, полученные авторами работ [11, 12], находятся между значениями, полученными в настоящей работе при использовании разных типов потенциалов.

Из всех рассмотренных границ кручения, а также наклона <100> и <111>, опираясь на результаты работ [7, 8], наиболее предпочтительными с точки зрения энергии образования являются границы кручения (111). Энергия образования других границ в два-три раза превышает энергию образования границ (111).

Результаты, приведенные выше, относятся к структурно «чистым» границам зерен, не содержащим каких-либо «лишних» дефектов. На самом деле, в реальных поликристаллах межзеренные границы являются эффективными стоками различных дефектов: дислокаций, вакансий, междоузельных атомов и их комплексов. Концентрация и тип этих дефектов в основном зависят от условий создания структуры (деформация, быстрое охлаждение или нагрев, ионная бомбардировка и т.д.). Практически всегда это термодинамически неравновесные состояния. Поэтому предсказывать концентрацию и тип дефектов с помощью законов равновесной термодинамики во многих случаях не имеет смысла. Однако, с другой стороны, по известным значениям энергии образования или связи дефекта с границей можно сделать вывод о соотношении концентраций различных дефектов в границе, вероятности их появления и закрепления в ней.

В настоящей работе было проведено исследование взаимодействия точечных дефектов с рассматриваемыми границами кручения и были рассчитаны энергии образования и энергии связи точечных дефектов с границами зерен.

Для выяснения преимущественного расположения точечных дефектов в границах кручения в расчетный блок, содержащий структурно «чистую» границу вводилась вакансия или собственный междоузельный атом. Точечные дефекты вводились в различные места границы: в узлы дислокационной сетки, в ядра дислокаций, в области идеального кристалла. После введения дефектов проводилась структурная релаксация, в завершение которой расчетный блок охлаждался.

Во всех случаях точечные дефекты стремились мигрировать в узел дислокационной сетки. При введении вакансии или междоузельного атома в ядро дислокации практически всегда, даже при минимальной стартовой температуре, они мигрировали вдоль ядра к ближайшему узлу сетки. На рис.5 приведены примеры смещения атомов в результате подобных миграций точечных дефектов при начальном введении их в ядро зернограничной дислокации в случае границ θ=6º (100) (рис.5а) и θ=6º (110) (рис.5б).

При больших углах разориентации картина не менялась – точечные дефекты всегда стремились мигрировать в узел дислокационной сетки. Для большеугловых границ, когда сложно выделить дислокации и узлы дислокационной сетки, все равно существовали предпочтительные места, периодически расположенные в плоскости границы, которые занимали введенные точечные дефекты.

Энергия образования точечного дефекта в границе зерен Ef – это работа создания этого дефекта в границе. Она может быть рассчитана как разность энергии образования дефекта в чистом кристалле Ef0 и энергии связи дефекта с границей зерен Eb:

(3)

Энергия связи дефекта с границей Eb определялась как разность потенциальной энергии расчетного блока, содержащего невзаимодействующие (удаленные друг от друга) границу кручения и точечный дефект, и потенциальной энергии расчетного блока, содержащего границу и точечный дефект в узле дислокационной сетки.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов (2)

    Документ
    Рассматривается история развития работ по термомагнитной обработке, начатая в СССР М. Л. Бернштейном и продолженная на Урале в работах В. Д. Садовского.
  2. Термомеханическая обработка

    Документ
    Методами оптической и просвечивающей микроскопии исследованы структура и свойства листового проката из низколегированных сталей 09ГФБ и 09ХН2МДФ. Изучены закономерности формирования структуры по толщине листа, подвергнутого термомеханическому
  3. Программа организаторы конференции сибирское отделение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения со ран, Томск, Россия (1)

    Программа
    В 2009 году Институту физики прочности и материаловедения СО РАН исполняется 25 лет. К этому событию приурочено проведение Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов.
  4. Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов (1)

    Документ
    Проанализирована природа формирования и закономерности эволюции мезодефектов в процессе термомеханической обработки (ТМО) стали. Показано, что, в общем случае, следует различать три моды подобных структурных превращений.
  5. 1. Некоторые вопросы строения веществ

    Документ
    Между двумя атомами действует сила притяжения. Позже мы докажем, что сила притяжения по природе является кулоновской, следовательно, она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами.

Другие похожие документы..