Исследование характеристик вакансий в неравновесных границах зерен методом компьютерного моделирования

• Автор: Мурзаев, Рамиль Тухфатович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Структура равновесных границ зерен
1Л Л Геометрическая модель границ зерен
1 Л.2 Модель структурных единиц
1Л .3 Границы зерен общего типа
1Л .4 Дислокационная модель границ зерен
1Л .5 Дисклинационная модель границ зерен
1.2 Диффузия в границах зерен
1.2.1 Кинетические режимы зернограничной диффузии
1.2.2 Моделирование диффузии
1.3 Неравновесные ГЗ
1.4 Наноматериалы
1.5 ГЗ в наноматериалах
1.6 Диффузия в наноматериалах
1.6.1 Экспериментальные исследования зернограничной диффузии в нанокристаллах
1.6.2. Теоретические модели зернограничной диффузии в нанокристаллах
1.6.3. Феноменологические модели диффузии
1.6.4. Дислокационно-дисклинационные модели диффузии
Выводы и постановка задачи
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА АТОМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1 Методы компьютерного атомного моделирования
2.2. Межатомные потенциалы
2.3 Построение исходной структуры границ зерен
2.3.1 Построение исходной структуры границы наклона
2.3.2 Моделирование границ зерен с внесенной зернограничной дислокацией
2.3.3 Построение границ зерен общего типа
2.3.4 Построение бикристаллического цилиндра, содержащего дисклинацию
2.4. Расчет внутренних напряжений на атомном уровне
2.5 Расчет основных энергетических характеристик вакансии: энергия
образования и энергия активации миграции вакансии
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ ГЗ НАКЛОНА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕРНОГРАНИЧНЫХ ВАКАНСИИ
3.1 Энергия образования и энергия активации миграции вакансии в равновесной границе зерен и под растяжением
3.2 Вакансии около зерно граничной дислокации в границе наклона 27=5 (210)
3.3 Энергия вакансий в поле напряжений клиновых дисклинаций
Выводы по главе
ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕРНОГРАНИЧНЫХ ВАКАНСИЙ В ГРАНИЦАХ ЗЕРЕН СМЕШАНОГО ТИПА
4.1 Построение границы зерен смешанного типа
4.1.1 Структура границы смешанного типа
4.1.2 Энергия образования вакансий в границе общего типа
4.2 Граница зерен смешанного типа, содержащая дисклинацию
Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Нанокристаллические (НК) материалы, то есть, поликристаллы, имеющие размер зерен порядка или менее 100 нм, представляют большой фундаментальный и практический интерес. Эти материалы имеют необычные физико-механические свойства, привлекательные с точки зрения будущих применений. Так, при комнатной температуре нанокристаллы обладают прочностью, в несколько раз превышающей прочность обычных, крупнокристаллических материалов. При умеренно высоких температурах нанокристаллы способны к высокоскоростной сверхпластической деформации.
Для получения нанокристаллов используются различные методы, основанные на интенсивной пластической деформации, кристаллизации из аморфного сплава, газовой конденсации, электроосаждении и других способах воздействия. Несмотря на множество способов получения, общим свойством свежеприготовленных НК материалов является тот факт, что большинство границ зерен (ГЗ) в них находится в неравновесном состоянии, обусловленном неравновесным характером самого процесса приготовления. Под неравновесным состоянием ГЗ подразумевается состояние, в котором границы обладают дальнодействующими полями упругих напряжений и избыточной энергией по сравнению с равновесными границами, имеющими те же геометрические параметры [1]. Как правило, неравновесное состояние ГЗ связано с наличием в границе линейных дефектов, таких как дислокации и дис-клинации.
Неравновесное состояние ГЗ существенно влияет на физикомеханические свойства поликристаллов, и этим объясняются значительные отличия свойств нанокристаллов от свойств крупнозернистых поликристаллов [2].
Одним из таких наиболее чувствительных к структуре ГЗ свойств материалов является диффузия, в особенности диффузия по ГЗ. Механизмы зернограничной диффузии в НК материалах интенсивно исследовались различными методами, как экспериментальными, так и теоретическими. Экспери-

дый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Преимуществом первого метода является то, что при его использовании не делается никаких предположений о конкретном элементарном механизме диффузии (ва-кансионном, межузельном и т.д.). Недостатком является то, что элементарные акты диффузии (скачки вакансий, межузельных атомов) - явления редкие в атомном масштабе времени, задаваемом периодом колебаний решетки. Вероятность скачка зависит от температуры по аррениусовскому закону и при не очень высоких температурах очень мала. Это требует моделирования молекулярной динамикой очень длительных времен - более чем 1 не при температурах, превышающих 0.5Тт [46]. Поэтому использование этого метода ограничено. Недостатком второго метода является заранее принятое предположение о конкретном механизме диффузии. Но, если для данной области температуры для данной системы другим способом установлен преобладающий механизм диффузии, этот метод является наиболее удобным для подробного исследования процесса диффузии в ГЗ.
Одно из обстоятельных исследований зернограничной диффузии в Рс1 методом компьютерного моделирования было проведено в работе [44]. Был выбран ряд ГЗ с различной структурой и энергией: две границы кручения с высокой энергией: (110) 0 = 50.48° (2=11) и (113) 0 = 67.11° (2=9), две симметричные границы наклона с высокой энергией: 2=5 (310) и 2=7 (123). По истечении достаточно длительного времени после установления термодинамического равновесия в моделируемой системе определялось среднеквадратичное смещение атомов в плоскости границы < Ах2 > + < Ау2 > (смещения атомов перпендикулярно плоскости ГЗ практически отсутствовали), откуда определялось произведение коэффициента зернограничной диффузии на диффузионную ширину ГЗ:
(1.14)