авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Влияние атомной структуры на механизмы самодиффузии по границам зерен наклона в алюминии.

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Драгунов Андрей Сергеевич

ВЛИЯНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЗМЫ САМОДИФФУЗИИ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН НАКЛОНА В АЛЮМИНИИ.

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул-2012 г.

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, Демьянов Борис Федорович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Баранов Михаил Александрович,

кандидат физико-математических наук, доцент, Рудер Давыд Давыдович.

Ведущая организация: Томский Государственный Архитектурно -

Строительный Университет.

Защита состоится "22" марта 2012 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета Д212,004,04 Алтайского государственного технического университета, 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Автореферат разослан "____"_____________ 2012 г.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просим присылать в 2-х экземплярах на адрес университета: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46. Кафедра ОФ. Email: veronica_65@mail.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Романенко В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство используемых на практике металлических материалов имеет поликристаллическое строение. Одним из основных структурных элементов таких материалов являются границы зерен (ГЗ). Исследованию ГЗ в последние годы уделяется большое внимание. Это связано и с большим влиянием границ зерен на многие важные свойства поликристаллов (предел текучести, пластичность, рекристаллизация, диффузия, ползучесть, текстурообразование) и с возрастающим применением нанокристаллов, тонких пленок, поверхностных фаз - объектов в которых поверхность играет определяющую роль. Например, вклад ГЗ в нанокристаллы может быть настолько велик, что почти полностью определять их свойства. Однако это влияние неоднозначно и зависит от особенностей строения этих поверхностей. Знание о строении поверхностей раздела и, в частности, границ зерен, их энергетических характеристик и процессов перестройки весьма важны для создания материалов с заранее запланированными свойствами.

Большое влияние ГЗ оказывают на процессы диффузии в металлических системах. Известно, что скорость диффузии по ГЗ на несколько порядков выше, чем в зерне. При достаточно низких температурах диффузия идет только по ГЗ. Многие экспериментальные данные по диффузии получены на поликристаллических образцах, т.е. являются усредненными свойствами ансамбля ГЗ в данном поликристалле. Экспериментальные исследования на индивидуальных, аттестованных ГЗ представляют большие трудности и часто недостаточны для выявления особенностей процессов диффузии по ГЗ различного типа.



В связи с этим исследование методами компьютерного моделирования приобретает важное значение. Поскольку ГЗ являются весьма сложными и специфическим дефектами, то для их моделирования необходимо создание специальных компьютерных программ. При теоретическом исследовании свойств ГЗ адекватные результаты могут быть получены в том случае если ГЗ имеет равновесную структуру. Проблема поиска стабильного состояния ГЗ сложна и не может быть решена в рамках моделей использующих геометрические критерии отбора структур. В частности, неприменимой является широко используемая модель решетки совпадающих узлов. Поэтому представляет интерес разработка новых моделей, учитывающих как геометрические характеристики, так и энергетические состояния ГЗ.

Целью работы является исследование методами компьютерного моделирования атомной структуры и самодиффузии по границам зерен наклона в ГЦК-металлах. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

  1. Разработать модель произвольных границ зерен наклона, использующую энергетический критерий и позволяющую определять атомную конфигурацию структурных единиц соответствующую равновесному состоянию ГЗ.
  2. Разработать методику моделирования процессов самодиффузии по границам зерен.
  3. Исследовать атомную структуру симметричных границ зерен наклона общего и специального типов.
  4. Определить структурно-энергетические характеристики ГЗ: энергию, свободный объем, зоны деформации растяжения и сжатия.
  5. Исследовать процессы зернограничной самодиффузии по границам общего и специального типа при различных температурах.

Достоверность результатов обеспечивается применением известных и апробированных методик (метод молекулярной динамики, методика определения параметров потенциалов межатомного взаимодействия) и сравнением полученныхрезультатов с результатамиэкспериментальных и теоретических работ других авторов.

Научная новизна. Разработана новая модель равновесных границ зерен наклона и проведен расчет атомной структуры, энергии и свободного объема ГЗ при произвольных углах разориентации. Рассчитаны зависимости энергии симметричных ГЗ с осями разориентации [100], [110] и [111] от угла разориентации. Исследовано распределение локальной энергии и локального свободного объема на границах общего и специального типов с осью разориентации [100]. Исследованы траектории движения атомов в зернограничном слое и определены механизмы самодиффузии в низкотемпературном и высокотемпературном интервале.

Практическая и научная ценность настоящей работы заключается в том, что результаты работы могут быть использованы для развития теории диффузии по границам зерен, при исследовании свойств и механизмов перестройки атомной структуры нанокристаллов. Полученные характеристики ГЗ и процессов самодиффузии по ним могут быть использованы для дальнейшего исследования процессов рекристаллизации, пластичности, прочности и др.

Положения выносимые на защиту:

  1. Модель равновесных ГЗ наклона, заключающаяся в том что их атомная структура формируется путем удаления и (или) введения атомов в область исходной ГЗ построенной с использованием модели РСУ.
  2. Результаты расчетов атомной структуры, полной и локальной энергии, среднего и локального свободного объема ГЗ общего и специального типов с осями разориентации [100].
  3. Результаты исследования направлений перескока и траекторий движения атомов по ГЗ при нагреве. Обнаружено три типа перескоков, соответствующих различным механизмам самодиффузии: по узлам структурных единиц ГЗ ( вакансионный механизм); хаотические перескоки (самодиффузия по распределенным (зернограничным) вакансиям); перескоки направленные вдоль оси разориентации (трубочная диффузия).
  4. Температурные зависимости коэффициентов зернограничной самодиффузии имеют два линейных участка, характеризующие различные механизмы самодиффузии по границам зерен. Смена механизмов самодиффузии происходит при температуре около 0,7 Тпл.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных и российских конференциях:

4-й Всероссийской НТК НиМ-2007, г. Барнаул, АлтГТУ, апрель, 2007 г. 4-й Всероссийской конференции «ФСМиС-4» 21-22 ноября 2007г. Екатеринбург, 2007. Международной конференции «НПМ-2007» 9-12 октября 2007.-Волгоград. Всероссийской научно-практической конференции «ЭЭТПЭ-2007».-17-20 октября 2007г. IV международной школе-семинаре «СВС-2008». 23-27 сентября 2008г. II Всероссийской конференции ММПСН-2009, 28-30 мая 2009 г., Москва, VI Международной конференции ММ-2009, 7-10 июня 2009 г., Тирасполь. Международной научной конференции Актуальные проблемы физики твердого тела 20-23 октября 2009 г., Минск.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы. Из них, число публикаций в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, составляет 4.

Объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 146 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении изложена актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы а также сформулированы основные защищаемые положения. Дается краткое содержание работы по главам.

В первой главе приводится краткая история развития представлений о граница зерен, зернограничной диффузии и самодиффузии а также основные экспериментальные и теоретические методы исследования диффузии и самодиффузии по ГЗ. Также приводится краткий обзор современного развития компьютерного моделирования ГЗ.

Во второй главе рассматриваются методы компьютерного моделирования в физике конденсированного состояния. Проводится обоснование выбора потенциала межатомного взаимодействия при исследовании энергетических и структурных характеристик дефекта. Приведены методика расчета атомной структуры и энергии ГЗ, и методика моделирования диффузии по ГЗ. Приведены результаты тестирование программы для расчета энергии ГЗ с произвольными углами разориентации, рассчитаны погрешности метода, а также проведено сравнение различных потенциалов и обоснование выбора потенциала Морза для моделирования.

В настоящей работе, исследование структуры и механизмов самодиффузии проводилось методом компьютерного моделирования. Для этой цели был разработан специальный программный комплекс, на который было получено авторское свидетельство №2009612475, от 18.05.09

Комплекс позволяет моделировать атомную структуру, рассчитывать локальную и среднюю потенциальную энергию, свободный объем, а также моделировать процессы самодиффузии по ГЗ наклона общего типа в ГЦК – металлах. Объектом исследования были ГЗ наклона общего и специального типа в Al.

Межатомное взаимодействие в работе апроксимировалось парным эмпирическим потенциалом Морза.

, (1)

где D, , – параметры, определяемые из набора экспериментальных данных по энергии сублимации, параметрам решетки, объемным модулям упругости и энергиям упорядочения, определяют функцию взаимодействие между атомами, находящихся на расстоянии r друг от друга.

Для сравнения результатов получаемых при использовании парного и многочастичного потенциалов, в качестве многочастичного был использован потенциал Клери-Розато. Показано, что в результаты практически не различаются, однако, скорость работы потенциала Морза в два раза превышает скорость Клери-Розато.

Энергия ГЗ определялась как разность между энергией идеального кристалла и кристалла с дефектом, отнесенная к единице её площади. Размер расчетного блока составил: в направлении оси разориентации 16 а (а - параметр решетки); в направлении перпендикулярном оси разориентации в плоскости ГЗ 40 а; в направлении перпендикулярном плоскости ГЗ 16 а. Расчетный блок содержит порядка 40000 атомов.  На расчетную ячейку накладывались жесткие граничные условия.

Для исследования устойчивых состояний границ, использовался метод молекулярной статики, а для изучения процессов самодиффузии метод молекулярной динамики.

В качестве исходной модели выбрана модель РСУ. Экспериментально подтверждено хорошее согласие модели РСУ с электронно-микроскопическими изображениями высокого разрешения, на некотором расстоянии от плоскости ГЗ. Отличие от модели РСУ наблюдается только в тонком слое, где непосредственно контактируют атомы двух различных зерен.

Суть используемой модели ГЗ заключается в следующем. После формирования бикристалла для поиска устойчивых конфигураций атомов проводилась процедура «вакансионной релаксации». Эта процедура проводилась в два этапа. На первом этапе определялись области, в которых избыточный свободный объем превосходит средний свободный объем границы. Затем туда помещались атомы. На втором этапе определялись пары атомов сблизившихся на расстояние менее заданного. Один из таких атомов удалялся, а второй помещался в плоскость ГЗ, образовывая распределенную вакансию. Внедрение дополнительных атомов и вакансий осуществлялось только в том случае, если это приводило к понижению энергии. На рис. 1, схематически изображен структурный элемент ГЗ в модели РСУ (а), после внедрения дополнительного атома (б) и распределенной вакансии (в)





На рис. 2 показано понижение энергии ГЗ в процессе построения ГЗ, для ГЗ 6° и 5(013) [100]. Как видно из рисунков, количество внедренных атомов зависит от угла разориентации и типа границы

При внедрении дополнительных атомов в ГЗ общего типа, атомы добавляются в разные структурные единицы по всей длине границы. Для границ специального типа, внедрение атомов происходит во все структурные элементы. Это обусловлено тем, что ГЗ специального типа состоят из одинаковых структурных элементов.

Все представленные зависимости имеют вид кривых с минимумом. Для ГЗ специального типа зависимости энергии имеют ступенчатый характер, что отражает правильную периодическую структуру дефекта.

Процесс вакансионной релаксации относится к геометрическим методам построения структуры ГЗ и как результат энергия остается несколько завышенной. Для полной релаксации структуры используется метод атомной релаксации.

При проведении атомной релаксации, проводилось понижение энергии границы зерна путем смещения атомов из узлов кристаллической решетки Для расчета смещения атомов был использован метод молекулярной статики.

Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными является важным критерием адекватности используемой модели. В случае кристаллической структуры — это сравнение полученной конфигурации атомов с электронно-микроскопическими снимками. На рис. 3 приведены экспериментальные изображения ГЗ 5(012) и 5(013). На изображения наложены рассчитанные структуры этих же ГЗ. Видно, что между этими структурами существует хорошее совпадение, что подтверждает правильность методики, используемой в данной работе.

. На рис. 4 приведены графики зависимостей зернограничной энергии от углов разориентации после полной релаксации для алюминия с осями разориентации [100], [110] и [111], а также зависимость усредненных по осям разориентации значений энергий от угла . Дополнительно, на графиках, кругами, отмечены точки соответствующие специальным границам зерен.

Исходя из полученной усредненной зависимости, ГЗ можно разбить на два класса – малоугловые и большеугловые. К малоугловым ГЗ можно отнести границы имеющие угол разориентации меньше 20°-22°. Их энергия линейно возрастает с увеличением угла разориентации. Энергия большеугловых ГЗ слабо зависит от угла разориентации. Выделенность специальных границ наблюдается только при малых значениях .

Среднее значение энергии большеугловых ГЗ составляет 750 мДж/м2, что хорошо согласуется с экспериментальными значениями 700-720 мДж/м2[2]. Основываясь на полученных энергетических зависимостях, в работе были выбраны следующие ГЗ для более детального изучения структуры и зернограничной диффузии.

  • Малоугловые общего типа 6°,15°.
  • Большеугловая общего типа 30°
  • Специального типа 5(013) =36.87°, 5(012) =53.12°и 13(015) =22.6°.

Третья глава посвящена изучению атомной структуры симметричных границ зерен наклона в широком интервале углов разориентации.

После проведения вакансионной и атомной релаксации, межатомные расстояния в области ГЗ могут существенно отличаться от равновесных. При этом встречаются не только области сжатия, но и области растяжения, т.е. структура границы зерен не является однородной. Поэтому для таких протяженных дефектов как ГЗ представляет интерес локальная энергия Еr, которая рассчитывалась как разность потенциальной энергии связи атомов расчетной ячейки, имеющей площадь основания в плоскости границы, равной площади приходящейся на один атом, и потенциальной энергии такого же числа атомов в идеальном кристалле. Результаты расчетов представлены в виде энергетических поверхностей (рис. 5).

Из рисунка видно, что энергия локализована в тонком слое вблизи геометрической плоскости ГЗ. Распределение энергии имеет существенно неоднородный характер – наряду с участками с низкой энергией выделяются резкие пики высокой энергии. Участки с низкой энергией характеризуют те области ГЗ, в которых атомная плотность близка к плотности идеального кристалла. Энергетические пики соответствуют областям сжатия или растяжения.

Общие ГЗ имеют высокие значения пиков локальной энергии, (рис. 5 а). Структура энергетического рельефа является квазипериодической и хорошо согласуется с квазипериодическим расположением совпадающих узлов в плоскости общих границ зерен.

Локальная энергия специальных границ зерен имеет строго периодический характер (рис. 5 б). Период энергетической зависимости соответствует одной структурной единице специальной ГЗ. Распределение энергии в области специальных ГЗ более равномерное чем у общих ГЗ.

В настоящее время ГЗ рассматриваются как область, характеризуемая некоторой шириной h. Значение h является важным параметром, в частности, входящим в уравнения, описывающие зернограничную диффузию. Также, величина h играет роль при взаимодействии ГЗ с точечными дефектами и образовании сегрегаций примесных атомов. Для специальных ГЗ можно ввести геометрическую ширину ГЗ как размер структурных единиц в направлении перпендикулярном плоскости ГЗ. Энергия позволяет более точно определить ширину слоя возмущенных атомов.

Используя полученное распределение энергии, можно определить ширину зернограничного слоя h как область, атомы которой имеют повышенную энергию по сравнению с идеальным кристаллом. В таблице 1 приведены значения ширины ГЗ, определяемой как зернограничный слой, энергия которого выше 0.1 эВ.

Необходимо отметить важную особенность – энергия, как параметр, не позволяет отличить область сжатия от области растяжения. Любое изменение межатомного расстояния относительно идеального приведет к увеличению энергии. Как сжатие, так и растяжение приводит к увеличению потенциальной энергии. Между тем, типы искажений представляют большой интерес при исследовании процессов диффузии и сегрегации примесей на ГЗ. Чтобы определить вид деформации, для каждого атома были рассчитаны расстояния до ближайших соседей, что позволило определить характер искажений в локальной области окружающей атом. Распределение деформаций в зернограничном слое приведено на рис. 6. Синим цветом обозначены атомы в области растяжения, красным – в области сжатия, белые – ненапряженные атомы.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.