Моделирование структурно-химического состояния твердого тела при механической активации методом молекулярной динамики

• Автор: Гайнутдинов, Игорь Имильевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ, ПОДВЕРГНУТОМ ИНТЕНСИВНОМУ МЕХАНИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ (МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ)
11. Мезоструктурные последствия механического воздействия на твердое тело
1.1.1. Процесс механической активации
1.1.2. Критическое состояние вещества
1.1.3. Эволюция мезоструктуры во время пластической деформации металлов
1.1.4. Вязко-хрупкий переход
1.2. Структурные последствия МА
1.2.1. Формирование новой структуры при механической обработке оксидов со структурой шпинели и перовскита
1.2.2. Сплавообразование при механической обработке металлов
1.3. Краткое резюме по литературным данным
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, РАЗУПОРЯДОЧИВАЕМЫХ ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
2.1. Метод молекулярной динамики
2.2. Моделирование пластической деформации
2.3. Построение Вороного-Делоне
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
3.1. Двумерная система частиц, взаимодействующих посредством потенциала Леннарда-Джонса
3.1.1. Расчетная модель
3.1.2 Моделирование деформации
3.2. Модельная ионная система АВ303
3.2.1. Двумерная система АВ203
3.2.2 Основные результаты расчетов
3.3. Трехмерная система частиц Леннарда-Джонса
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Введение.
Актуальность темы. Механохимия является одним из интенсивно развивающихся направлений химии твердого тела. Это обусловлено возможностями ее практического использования для задач модифицирования физических и химических свойств индивидуальных веществ, интенсификации твердофазных химических процессов. Важной научной проблемой в механохимии является выяснение механизма возникающих в твердом теле структурно-химических изменений при интенсивном механическом воздействии (механической активации - МА).
Идущие при МА реальных твердых тел процессы можно условно разделить на два типа. Во-первых, измельчение и агломерация частиц, т.е. процессы, связанные с модификацией поверхности обрабатываемого вещества. Во-вторых, изменения в объеме твердого тела, вызванные интенсивной пластической деформацией - образование структурных дефектов различной природы и, как следствие, изменение структуры в целом, приводящее в ряде случаев к формированию метастабильных состояний. В результате химические свойства обрабатываемого вещества могут претерпеть глубокие изменения. Экспериментально установлено (см. главу 1), что МА затрагивает практически каждый атом вещества, изменяя в процессе обработки его структурно-химическое состояние. Для ряда веществ последствием МА является формирование нового структурного типа. Задача о механизмах структурно-химических изменений при МА это, по сути, задача о процессах,

протекающих в условиях интенсивной пластической деформации на атомных масштабах.
Основные изменения при обработке веществ в современных механохимических аппаратах происходят импульсно, во время единичного акта воздействия длительностью порядка 10"5-1(Г4 сек, в пространственных областях размером порядка 100-1000 А. При этом в веществе возникают значительные механические напряжения (порядка нескольких ГПа). Эти обстоятельства делают прямое экспериментальное исследование структурных изменений в момент механической обработки практически невозможным. Теоретическое рассмотрение структурно-химических превращений в результате механического воздействия затрудняется сильной неравновесностью процесса, высокой степенью разупорядочения вещества. С другой стороны, методы компьютерного моделирования твердых тел, и в частности, метод молекулярной динамики, предоставляют возможности для исследования атомных процессов на наноразмерных масштабах. Как отмечалось выше, при МА происходит модификация структурного состояния каждого атома вещества, поэтому прямое моделирование движения атомов в момент интенсивного механического воздействия может существенно дополнить эксперимент и получить качественные, а в отдельных случаях и количественные характеристики процессов изменения структурно-химического состояния твердого тела при МА.
Цель работы. Методом молекулярной динамики проанализировать качественные и количественные характеристики происходящих структурнохимических изменений в объеме твердого тела при механической активации.
Для решения поставленной цели были проведены:
- разработка математических моделей механической активации объема твердого тела, позволяющих наблюдать специфические для МА процессы;

атомов железа совпадает для механически полученного сплава и сплава полученного обычным термическим методом.
Для таких процессов интенсивного смешивания веществ на атомном уровне под воздействием механической обработки применяют термин “деформационное перемешивание” [напр. 65].
Одним из ярких примеров деформационного перемешивания является процесс описанного в [65] механического измельчения многофазного сплава состава Ре738п27. Исходный сплав состоял из твердого раствора ОЦК Бе+(9-10) ат.% Бп, интерметаллических фаз Ре38п, Ре58п3 и Ре38п2. В зависимости от времени измельчения при помощи мессбауэровской спектроскопии, рентгенофазового анализа и магнитной восприимчивости определялось валовое содержание в обрабатываемой смеси исходных фаз. В процессе обработки объемное содержание фаз Ре38п, Ре58п3 и Ре38п2 уменьшается вплоть до их полного исчезновения, а доля ОЦК Ре(8п) возрастает до 100%. Конечный продукт представляет собой пересыщенный твердый раствор олова в ОЦК железе с содержанием олова 25% [65].
Таким образом, приведенные примеры дают качественное представление о глубине происходящих с веществом изменений в процессе МА. Даже если МА не приводит к существенным структурным изменениям, а это может быть обусловлено высокими скоростями релаксации структурных нарушений, обсуждавшимися ранее, все равно следует понимать, что вещество в процессе активации претерпевает глубокие изменения. В нем осуществляется интенсивный массоперенос, приводящий в соответствующих условиях, как показано выше, к поатомному перемешиванию.
Как следствие подобного интенсивного деформационного перемешивания, наблюдается, в частности, расширение области существования твердых растворов для тех элементов, растворимость которых друг в друге ограничена. Например, в [66] приводятся следующие