Атомные механизмы и кинетика переходов типа порядок ↔ беспорядок в чистых металлах

• Автор: Миленин, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 132 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. КОМПЬЮТЕРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1 Компьютерный эксперимент
1.2 Методы моделирования
1.2.1 Метод молекулярной динамики
1.2.2 Метод статической релаксации
1.3 Потенциалы парного взаимодействия
1.3.1 Стандартные формальные модельные потенциалы
1.3.2 Эмпирические неравновесные короткодействующие потенциалы
1.3.3 Метод псевдопотенциала
1.4 Получение аморфных материалов
1.5 Статические модели структуры аморфных металлов
1.5.1 Модели жидкости
1.5.2 Модель случайной плотной упаковки
1.5.2 Модель последовательных присоединений
1.6 Релаксированные модели структуры аморфных металлов
1.6.1 Статически релаксированные модели
1.6.2 Молекулярно - динамические модели
1.7 Постановка задач
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Моделируемые системы
2.2 Расчетные схемы
2.2.1 Алгоритм метода молекулярной динамики
2.2.2 Алгоритм метода статической релаксации
2.3 Расчет основных характеристик моделей
2.3.1 Измерение термодинамических величин
2.3.2 Структурные функции
2.3.3 Многогранники Вороного
2.3.4 Угловые корреляционные функции
ГЛАВА 3 СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЖЕЛЕЗЕ
ПРИ СВЕРХБЫСТРОМ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ
3.1 Модель расплава
3.2 Модель “мгновенно закаленного” аморфного состояния
3.3 Структурные и фазовые превращения
3.3.1 Процедура моделирования
3.3.2 Термодинамические и структурные характеристики
моделей с периодическими граничными условиями
3.3.3 Термодинамические и структурные характеристики
модели пленки железа
3.3.4 Термодинамические и структурные характеристики
моделей кластеров железа
3.4 Расчет энергий активации
ГЛАВА 4 АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СТРУКТУРНЫХ И ФАЗОВЫХ
ПРЕВРАЩЕНИЙ В ЖЕЛЕЗЕ
4.1 Закономерности формирования локальных атомных конфигураций
4.2 Эволюция локальных атомных конфигураций в процессе сверхбыстрого нагрева и охлаждения моделей железа
4.3 Молекулярно-динамическое моделирование кластеризации пересыщенного атомарного пара
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы: Разработка новых перспективных материалов, изучение их структуры и свойств являются основными научными направлениями физики конденсированного состояния. В настоящее время все больше внимания уделяется аморфным металлическим материалам. Специфическая атомная структура аморфных металлов, характеризуемая ближним порядком и отсутствием трансляционной симметрии, обеспечивает уникальный комплекс их физико-химических свойств, что создает широкую перспективу практического использования этих материалов в различных областях науки и техники.
Несмотря на большое внимание, которое уделяется изучению структуры и свойств металлических стекол, наиболее актуальными и до конца не решенными остаются проблемы раскрытия закономерностей формирования структуры, локального упорядочения и атомной перестройки в процессе структурной релаксации и фазовых превращений этого класса материалов. Используемые экспериментальные методы не позволяют получить прямую информацию о деталях атомной структуры аморфных металлов и ее перестройки. Поэтому необходима разработка теоретических модельных представлений об этих процессах на атомном уровне. Сформировать такие физически обоснованные представления в настоящее время можно лишь с помощью компьютерного эксперимента при условии построения адекватной модели изучаемой системы.
Компьютерное моделирование с его возможностью осуществлять анализ исследуемой системы на уровне поведения отдельных атомов и на любом этапе проведения эксперимента позволяет получить информацию, недоступную ни физическим методам анализа, ни теоретическим исследованиям. Данные, полученные в компьютерном эксперименте, позволят последить эволюцию системы в процессе воздействия на нее внешних факторов, а так-

динамики в сочетании со статистико-геометрическим анализом [80] позволило проследить за некоторыми структурными превращениями при аморфиза-ции железа из расплава. Так как скорость охлаждения была достаточно высокой, получить данные в полном объеме о локальной атомной перестройке в процессе структурной релаксации не удалось.
Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что на момент начала данной работы информация о локальных атомных механизмах формирования структуры в процессе нагрева и охлаждения отсутствовала. Так же отсутствовали данные о температурах фазовых переходов: расплав -> стекло, стекло -> кристалл, стекло -> расплав. Отсутствовали данные по изучению влияния свободной поверхности и размера исследуемой системы на структурные характеристики и локальные атомные механизмы перестройки при нагреве и охлаждении, а также при фазовых переходах.
В настоящей работе поставлены следующие задачи:
-построить модели железа в жидком, аморфном, кристаллическом состоянии и провести сравнение структурных характеристик с имеющимися экспериментальными данными;
- изучить в рамках компьютерного эксперимента с парным потенциалом межатомного взаимодействия фазовые переходы первого и второго рода (кристаллизация, плавление, стеклование); определить температурные диапазоны фазовых переходов; изучить влияние скорости нагрева и охлаждения, размера системы на их поведение;
- выявить основные закономерности локального атомного упорядочения при формировании аморфной и кристаллической структуры методом статистико-геометрического анализа;
- исследовать влияние скорости нагрева и охлаждения, размерного фактора на эволюцию локального атомного упорядочения в процессе структурной релаксации;
Решение поставленных задач изложено в следующих главах диссертации и 20 научных публикациях [89-108].