Моделирование фаз системы Ti-C и зернограничных сегрегаций углерода и кислорода в титане

• Автор: Аксенов, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Влияние зернограничных сегрегаций и вторичных фаз на термостабильность титана
1.1 Термостабильность наноматериалов, зернограничные сегрегации и дисперсные включения
1.1.1 Зернограничные сегрегации
1.1.2 Дисперсные частицы вторичных фаз
1.1.3 Термическая стабильность нанокристаллических
материалов
1.1.4 Модели для описания распределений примесей
1.2 Технически чистый титан
1.2.1 Обзор исследований наноструктурированного технически чистого титана
1.2.2 Экспериментальные и теоретические данные по фазам

1.2.3 Данные по зернограничным сегрегациям в ГПУ титане
1.2.4 Данные по дисперсным включениям Ti-C в ГПУ титане
1.3 Выводы
2 Методы исследований
2.1 Первопринципные методы, электронная структура
2.1.1 Детали расчётов из «первых принципов». Воспроизво-
димость энергетических характеристик и параметров решёток на примере фаз титана
2.1.2 Спектры характеристических потерь
2.1.3 Расчёты модулей упругости и теоретических пределов
прочности
2.1.4 Описание методики расчёта модулей упругости
2.2 Расчёты дифракционных картин
3 Исследование зернограничных сегрегаций углерода, азота и кислорода в ГПУ титане
3.1 Структура и энергия чистой границы зерна S

3.2 Рассмотренные положения атомов примесей в ячейке
3.3 Объёмы и энергии зернограничных сегрегаций атомов С, N и
О в аЛ
3.4 Особенности зернограничной сегрегации на границе 87
3.5 Сегрегация на двойниковых границах
3.6 Выводы
4 Исследование вторичных фаз ТъС в ГПУ титане
4.1 Особенности распада твёрдого раствора углерода
4.2 Структура и энергетические характеристики кластеров ГП-С
4.3 Структура и энергетические характеристики включений "П-С .
4.3.1 Описание фазы Т1гС( 164)
4.4 Механические свойства фаз ТъС
4.4.1 Модули упругости
4.4.2 Теоретические пределы прочности
4.5 Дисперсионное упрочнение а-титана включениями ТъС
4.6 Выводы
5 Модель распределения примесей в твёрдом растворе
5.1 Физическая основа модели
5.2 Вывод уравнений модели
5.2.1 Концентрации
5.2.2 Равновесие между твёрдым раствором и вторичными
фазами
5.2.3 Равновесие между твёрдым раствором и сегрегациями .
5.2.4 Решение системы уравнений
5.2.5 Вывод выражений для конфигурационной энтропии . .
5.2.6 Изменение энергии Гиббса
5.3 Результаты апробации модели для зернограничных сегрегаций углерода и фаз ТКС
5.3.1 Равновесие фаз ТТС с твёрдым раствором
5.3.2 Равновесие фаз ТъС с сегрегациями и твёрдым раствором
5.4 Экспериментальное наблюдение частиц ТьС
5.5 Теоретические электронограммы рассмотренных фаз ТъС
5.6 Сравнение рассчитанных электронограмм с экспериментальными данными
5.7 Расчёт спектров характеристических потерь энергии электронами
5.8 Выводы
Заключение
Литература

Введение
Разработка новых материалов требует детальных сведений о их структуре и физических механизмах на атомном уровне. Сегодня можно считать устоявшимся подход к разработке новых материалов, в котором помимо проведения экспериментальных исследований, для расширения спектра доступной информации о веществе, прогнозирования его свойств и сокращения затрачиваемых временных и материальных ресурсов используются методы компьютерного моделирования. В частности, большое распространение получили методы моделирования «из первых принципов», которые, базируясь на квантовомеханических расчётах, обеспечивают хорошее согласие с экспериментальными данными [1]. При этом, становится актуальной разработка новых идей, принципов, моделей и подходов, повышающих эффективность использования данных компьютерного моделирования и предоставляющих возможности их сравнения с экспериментальными данными.
Фазы переменного состава, называемые твёрдыми растворами, представляют собой основу практически всех важнейших конструкционных и нержавеющих сталей, бронз, латуней, алюминиевых и магниевых сплавов высокой прочности. Изменение состояния твёрдого раствора может существенно влиять на свойства материалов. Так, распад твёрдого раствора может приводить к образованию дисперсных включений, увеличивающих механические характеристики материла. В других случаях, образование зернограничных сегрегаций из твёрдого раствора оказывает влияние на зернограничную когезию, коррозию и другие явления, связанные с границами зёрен [2]. В общем случае, распад твёрдого раствора сопровождается переходом растворённых атомов в различные структурные состояния, такие как дисперсные частицы, поры, границы зёрен, ядра дислокаций и другие. В связи с тем, что подобный переход атомов оказывает значительное влияние на свойства материала, особенно важно уметь прогнозировать распределение примесей в матрице. Описание равновесия между твёрдым раствором и различными структурами с участием атомов примеси является первым шагом для такого прогноза.
Примером недавно разработанного материала является нанокристалличе-ский технически чистый титан, который в силу повышенной прочности и биосовместимости рассматривается в качестве перспективного материала для имплантологии [3]. Однако его широкому распространению препятствует общая для всех наноматериалов проблема термической стабильности структуры [4].

считывать оптимальную геометрию структуры, зонную структуру, оптические спектры и других свойства материалов.
В настоящей работе расчёты полных энергий, постоянных решёток и плотности электронных состояний выполнены с помощью программного пакета «ABINIT» [126] в рамках теории функционала зарядовой плотности (Density Functional Theory - DFT) [127,128] с представлением волновых функций электронов в базисе плоских волн. Использование базиса плоских волн имеет ряд преимуществ. Вычисления, в которых участвуют синусоидальные функции, просты для реализации в программном коде. Увеличение числа плоских волн позволяет повысить точность вычислений, что не всегда возможно в случае использования базиса линейной комбинации атомных орбиталей (ИКАО). Недостатком плосковолнового базиса является то, что для описания быстро осциллирующих волновых функций остовных электронов требуется очень большое число плоских волн, что сильно увеличивает ресурсоёмкость задачи. Однако в атомах твёрдых тел состояние остовных электронов практически не меняется по сравнению с изолированным атомом, и они не оказывают влияния на свойства материала.
Различие между валентными и остовными электронами может определяться следующими критериями: 1) Энергии валентных и остовных электронов должны значительно различаться (на порядок). 2) Электронные плотности валентных и остовных электронов должны быть сосредоточены в различных местах. 3) Остовные электроны должны быть невосприимчивы к электронным или внешним воздействиям. После разделения остаётся двоякое влияние остовных электронов на валентные. С одной стороны, остовные электроны вносят вклад в энергию Хартри и обменно-корреляционный потенциал, влияющие на валентные электроны. С другой стороны, для волновых функций валентных электронов должно выполняться условие ортогональности по отношению к волновым функциям остовных электронов. Это очень важно, так как в противном случае валентные электроны могут перейти на внутренние орбитали в процессе нахождения минимума энергии. Эти сложности могут быть решены путём замены остовных электронов псевдопотенциалом, который приближённо описывает их действие на валентные волновые функции. Важной характеристикой псевдопотенциала является то, каким образом сделано разделение валентных и остовных электронов. В некоторых случаях это можно сделать по-разному. Например, титан имеет следующую электронную оболочку 1 s 2 2 s2 2р6 3 s2 Зр63d24 s2. В качестве остовных электронов можно выбрать ls22s22p63s23p6, но оказывается что 4-ый и 5-ый потенциалы ионизации не так уж сильно отличаются друг от друга (43,3 и 99,2 эВ соответственно). Также, нельзя пренебрегать пространственным перекрытием 3s, 3р и 3d орбиталей. Таким образом, если учесть эти факторы, у титана остаётся совсем небольшой остов.