Исследование механизмов диффузии по границам зерен наклона в ГЦК металлах

• Автор: Ракитин, Роман Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 213 с. : ил.

I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И СВОЙСТВАХ

ГРАНИЦ ЗЕРЕН

1.1. Теоретические представления о структуре границ зерен

1.2. Теоретические представления о диффузии по границам зерен

1.3. Динамика структуры вблизи границ зерен в условиях деформации

1.4. Экспериментальные методы исследования диффузии

1.5. Методы компьютерного моделирования в физике конденсированного состояния

1.6. Постановка задачи

II. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ

2.1. Основные проблемы компьютерного моделирования

2.2. Особенности двумерных и трехмерных моделей

2.3. Обоснование выбора и апробация потенциалов межатомного взаимодействия
2.4. Описание модели
2.5. Визуализация и характеристики динамики атомной структуры
III. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГРАНИЦ ЗЕРЕН НАКЛОНА
3.1. Структурные перестройки при сопряжении зерен в процессе низкотемпературной динамической релаксации
3.2. Распределение энергии и напряжений в области границ зерен
3.3. Исследование энергии границ зерен в зависимости от углов разориентации
IV. МЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН НАКЛОНА
4.1. Основные механизмы диффузии по границам зерен
4.1.1. Исследование механизмов диффузии в двумерных моделях

4.1.2. Исследование механизмов диффузии в трехмерных моделях по границам зерен наклона [111]
4.1.3. Исследование механизмов диффузии в трехмерных моделях по границам зерен наклона [100]
4.2. Скорость самодиффузии в зависимости от температуры и угла разори ентации зерен
4.2.1. Скорость самодиффузии в двумерных металлах с границами зерен
4.2.2. Скорость самодиффузии в трехмерных металлах с границами зерен наклона [111] и [100]
V. ОДНООСНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ КРИСТАЛЛОВ С ГРАНИЦАМИ ЗЕРЕН НАКЛОНА :
5.1. Динамика атомной структуры вблизи границ зерен наклона при одноосной деформации
5.1.1. Механизм диффузии по границам зерен при упругой деформации
5.1.2. Динамика атомной структуры вблизи границ зерен в условиях пластической деформации
5.2. Коэффициент зернограничной диффузии в зависимости от деформации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Большинство металлов используется в виде поликристаллов, неотъемлемой частью структуры которых являются границы зерен. Границы зерен оказывают определяющее влияние на многие физико-механические свойства поликристаллов, такие как пластичность, диффузия, высокотемпературная и структурная ползучести, рекристаллизация, разрушение, плавление и др. 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 температурносиловых воздействий.
В настоящее время остается дискуссионным вопрос о том, какие границы можно отнести к малоугловым, а какие к большеугловым. Для этого необходимо определить критерий отличия мало- и большеугловых границ. Процессы, происходящие с участием границ зерен, непосредственно связаны с их атомной структурой. В настоящее время существует множество моделей, описывающих строение границ зерен, но ни одна из них так и не стала определяющей. В первых исследованиях границы зерен рассматривалась как бесструктурная, аморфная область. Такой подход не нашел подтверждения в экспериментах и поэтому в последнее время не рассматривается. Более плодотворным оказались модели, представляющие границы зерен как области, имеющие периодическую кристаллическую структуру. Одиц из таких подходов основан на представлении границ зерен как набора дислокаций (дислокационная модель). Данная модель оказалась одной из самых продуктивных, и нашла свое подтверждение в экспериментальных результатах на малоугловых границах зерен. Однако в случае большеугловых границ данная модель малоприменима и поэтому следует использовать другие подходы, такие как, например модель совпадающих узлов.
Диффузия по границам зерен, как известно, протекает значительно интенсивнее, чем в объеме зерен. Однако представление о механизмах

порядка 103-106 атомов. С макроскопической точки зрения это чрезвычайно мало. Поэтому, чтобы результаты можно было распространить на макрообъем, на расчетный блок накладываются граничные условия, позволяющие с некоторым приближением «сшивать» расчетную ячейку с внешним объемом.
Выбор граничных условий зависит от исследуемой проблемы. Можно выделить пять типов граничных условий:
1) «Свободные» граничные условия [86, 100, 102, 104, 117]. Приграничные атомы образуют свободную поверхность, контактирующую с вакуумом, и могут передвигаться так же, как и атомы, внутри объема расчетного блока. Такой вид граничных условий иногда применяется при исследовании деформации расчетной ячейки под воздействием температурно-силовых факторов, или в случаях, когда нет надобности в граничных условиях, например, в исследованиях, связанных с большими молекулами (полимеры, фуллерены и т.д.).
2) «Жесткие» граничные условия [84, 100, 118]. Координаты приграничных атомов зафиксированы. В этом случае предполагается, что достаточно большое количество подвижных атомных слоев компенсирует влияние фиксированное граничных атомов на исследуемое явление. Этот вид граничных условий привлекателен своей простотой, но требует большого числа атомов и не позволяет решать задачи, связанные с существенным изменением термодинамических параметров расчетной ячейки. В методе молекулярной динамики такой вид граничных условий в основном применяется в комбинации с другими видами.
3) «Гибкие» или подвижные граничные условия [84, 100, 117]. Они являются более естественными. Граничным атомам в некоторые периоды разрешается перемещаться во время функционирования модели в соответствии с перераспределением атомов расчетаой ячейки. Данные граничные условия требуют меньшего количества атомов, чем жесткие и являются более адекватными реальным условиям.