Міграція атомів при ударній деформації ідеальних металевих кристалів

5. Механізм пластичної деформації нанокристалу металу, що не містить дефектів, в умовах одноосьового імпульсного навантаження полягає в перебудові його кристалічної структури, не пов'язаної з міграцією атомів на відстані, більше періоду ґратки. Установлено, що типовою особливістю нанокристалів металів з кубічними ґратами є ефект різкого падіння (на 70-90%) напруження після початку пластичної деформації. При одноосьовому ударному навантаженні скидання напружень у нанокристалі відбувається внаслідок локалізації пластичної деформації у вузькій області кристала.

6. Процеси пластичної деформації з локальним підвищенням температури в умовах імпульсного впливу починаються поблизу меж зерен, субзерен і поверхні розділу, що можуть бути джерелами утворення міжвузельних атомів і пар Френкеля.

7. В результаті молекулярно-динамічного моделювання кристалів металів із ГЦК і ОЦК ґратами виявлено, що наявність власного міжвузельного атома викликає утворення області спотворення кристала - кластера, що містить до 18 атомів, що приводить до зменшення енергії активації самодифузії і визначає низькі значення передекспоненційного множника. При цьому в кристалі з більш щільно пакованими ГЦК ґратами число приналежних кластеру "активованих" атомів приблизно вдвічі перевищує таке для ОЦК кристала. Тому, на відміну від вакансійного механізму, для дифузійного переміщення міжвузельного атома в кристалі з ГЦК структурою потрібна менша енергія активації в порівнянні з ОЦК.

8. Шляхом комп'ютерного моделювання встановлено, що елементарний дифузійний стрибок атома відбувається за час, що на порядок перевищує період коливань атомів у металі. При цьому максимальна швидкість руху атома складає ~200-400 м/с.

9. Існування зони спотворення кристала навколо власного міжвузельного атома приводить до притягнення до нього інших міжвузельних атомів. Це сприяє стабілізації дефектів, що утворилися при народженні пари Френкеля. Тому в процесі масопереносу при ударному механічному і вибуховому навантаженні можуть брати участь не тільки одиночні міжвузельні атоми, але і їх більш стійкі скупчення.

10. Зниження температури зменшує рухливість міжвузельних атомів. Разом з тим, зменшення температури при імпульсному впливі підвищує напруження в кристалі. Це сприяє росту величини рушійної сили, що викликає спрямоване переміщення атомів. Результуючий вплив температури на масоперенос визначається як результат спільної дії цих процесів.

11. Результати моделювання деформування на нанометровому рівні передбачає збільшення масопереносу в умовах існування високих напружень при відсутності інтенсивних процесів пластичної деформації, що узгоджується з результатами експериментальних досліджень впливу густини дислокацій на масоперенос на макроскопічному рівні. В силу чого, для забезпечення великої глибини масопереносу необхідно забезпечити високий рівень напружень при обмеженій величині пластичної деформації.

СПИСОК ЦИТОВАНИХ ПРАЦЬ

[1] Johnson R.A. Interstitials and Vacancies in б-Iron //Phys.Rev.A.- 1964.- V.134, № 5A. - P. 1329-1336.

[2] Finnis M.W., Sinclair J.E. A simple empirical N-body potential for transition metals // Philosophical Magazine A. - 1984. - V. 50, № 1. - P. 45-55.

[3] Ingle K.W., Perrin R.C., Schober H.R. Interstitial cluster in FCC metals // J. Phys. F: Metal Phys. - 1981.- 11, №6. - P.1161-1173.

[4] Ackland G.J., Tichy G., Vitek V., Finnis M.W. Simple N-body potentials for the noble metals and nickel // Philosophical Magazine A. - 1987. - V.56, №6. - P.735-756.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Монографія:

1.Миронов В.М., Мазанко В.Ф., Герцрикен Д.С., Филатов А.В.. Массоперенос и фазообразование в металлах при импульсных воздействиях. Самара, Самарский ун-т, 2001. - 232 с.

Статті у наукових фахових виданнях:

2. Филатов А.В. О возможных путях реализации процесса массопереноса в ударных волнах // Труды Тульского политехнического института. - 1989. - С. 85-92.

3. Зворыкин Л.О., Лободюк В.А., Румянцев Б.В., Фальченко В.М., Филатов А.В. Особенности массопереноса и структурных изменений в сплавах Co-Ni при прохождении ударных волн // Известия АН СССР. Металлы. - 1991. - №4. - С.158-160

4. Зворыкин Л.О., Румянцев Б.В., Фальченко В.М., Филатов А.В. Влияние шероховатости поверхности на массоперенос в меди под действием ударных волн // Металлофизика. - 1991.- Т. 9, №4. - С.126-128.

5. Дубик А., Зворыкин Л.О., Овсик Я., Фальченко В.М., Филатов А.В. Особенности массопереноса железа и никеля в металлах при прохождении ударных волн, генерированных импульсным излучением // Металлофизика. - 1992.- Т. 14, №1. - С.46-49

6. Зворыкин Л.О., Фальченко В.М., Румянцев Б.В., Филатов А.В. Массоперенос никеля в монокристаллах молибдена при прохождении ударных волн // Металлофизика. - 1993. - Т. 15, №3. - С.97-98.

7. Погорелов А.Е., Филатов А.В. Моделирование динамики нагрева металлов импульсным оптическим квантовым генератором // Металлофизика и новейшие технологии. - 1994. - Т. 16, №8. - С.75-78.

8. Зворыкин Л.О., Фальченко В.М., Филатов А.В. Особенности массопереноса в металлах и сплавах с различной исходной структурой при высокоскоростной деформации // Инженерно-физический журнал. - 1995. - Т. 68, №4. - С.605-611.

9. Вовк А.Я., Филатов А.В. Структура и электрофизические свойства реактивно напыленных тонких пленок хрома // Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т. 17, №7. - С.17-22.

10. Мазанко В.Ф., Ворона С.П., Филатов А.В. Перераспределение атомов в объеме металла в условиях импульсного воздействия //Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т. 17, №9. - С. 74-76.

11. Иванова Н.Д., Болдырев Е.И., Филатов К.В., Филатов А.В. Катодное внедрение лития в продукты неполного электровосстановления ионов меди // Электрохимия. - 1996.- Т. 32, №8. - С. 928 - 931.

12. 3вopыкин Л.O., Филатов А.В. Влияние xapaктepиcтик плоскиx yдapныx волн нa мaccoпepeнoc в мeтaллax // Дoпoвiдi HAH України. - 1997, №2. - С.84-89.

13. Вовк А. Я., Филатов А. В. Рентгенографическое исследование фазового состава тонких реактивно напыленных пленок хрома // Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - Т. 20, № 1. - С. 17-20.

14. Филатов А.В. Моделирование микрокристалла меди методом частиц при нагреве и охлаждении // Вісник Черкаського університету. Серія “Фізико-математичні науки”. - 1999. - С. 97-101.

15. Кучук-Яценко С. И., Харченко Г. К., Фальченко Ю.В., Григоренко С. Г., Мазанко В. Ф., Филатов А.В. О неоднородности массопереноса в зоне соединения при ударной сварке стали в вакууме // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000.- Т. 22, №10. - С. 63-66

16. Мазанко В. Ф., Филатов А. В., Иващенко Е. В., Миронов В. М. Влияние упругих волн на диффузию углерода в железе и его сплавах // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000.- Т. 22, №11. - С.54-57.

17. Мазанко В. Ф., Філатов О. В., Іващенко Є. В., Міронов В. М. Рухливість атомів заміщення в металах під дією пружних хвиль // Доповіді НАН України 2000.- №8. - С.77-78.

18. Mazanko V.F., Mironova T.F., Mironov V.M., Filatov A.V. Main trends in mass transfer of nickel in iron and copper under pulse effect // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002.- Т. 24, №2. - С. 181-187.

19. Немошкаленко В. В., Арсенюк В. В., Мазанко В. Ф., Миронов В. М., Филатов А.В. Общие закономерности массопереноса при различных видах импульсного нагружения // Доповіді НАН України. - 2002.- №10. - С.76-79.

20. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Филатов А. В., Овсянников А. В. Деформация и разрушение нанокристаллов ОЦК металлов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. 2004. - Т. 2, вип.1. - С.227- 243.

21. А. В. Филатов. Образование межузельных атомов в металлах в условиях импульсного сжатия // Доповіді НАН України. - 2004.- №9. - С.80-82.

22. Филатов А.В. Влияние типа кристаллической решетки на диффузионную подвижность междоузельных атомов // Вісник Черкаського Університету. Серія "Фізико-математичні науки". - Вип. 62, 2004. - С. 100-109.

23. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Филатов А. В., Овсянников А. В. Моделирование деформирования и разрушения нанокристаллов ОЦК-металлов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004.- 26, №6. - С.841-850.

24. Котречко С. А., Филатов А. В., Овсянников А. В. Особенности пластической деформации нанокристаллов молибдена // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004.- 26, №11. - С.1475-1482.

25. Миронова Т.Ф., Миронов В.М., Мазанко В.Ф. Филатов А.В. Массоперенос в титане и сплавах железо-титан в условиях обработки упругими волнами // В сб.: Энергосберегающие технологии механизации сельского хозяйства. Самара, - 1998. - С. 117-122.

АНОТАЦІЯ

Філатов О.В. Міграція атомів при ударній деформації ідеальних металевих кристалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів. Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова Національної академії наук України, Київ, 2005.

ґрунтуючись на результатах фізичного експерименту і комп'ютерного моделювання, в дисертаційній роботі досліджені загальні закономірності масопереносу в умовах різних видів імпульсної обробки, вивчено механізм міграції атомів і його взаємозв'язок з основними закономірностями деформації кристалічних ґрат металу.

Запропоновано критерій для оцінки внеску різних механізмів у процес масопереносу в умовах імпульсного навантаження апроксимацією форми концентраційних профілів функцією C = C₀·exp(-aXⁿ). При n~2 основна роль належить механізму випадкових блукань, при n~1 - спрямованому переносу атомів за участю міжвузельних атомів за рахунок дії значної рушійної сили в умовах зовнішніх впливів.

В результаті молекулярно-динамічного моделювання кристалів металів із ГЦК і ОЦК ґратами виявлено, що наявність власного міжвузельного атома викликає утворення області спотворення кристала - кластера, що приводить до зменшення енергії активації самодифузії і визначає низькі значення передекспоненційного множника. При цьому в кристалі з більш щільно пакованими ГЦК ґратами число приналежних кластеру "активованих" атомів приблизно вдвічі перевищує таке для ОЦК кристала. Тому, на відміну від вакансійного механізму, для дифузійного переміщення міжвузельного атома в кристалі з ГЦК структурою потрібна менша енергія активації в порівнянні з ОЦК

Ключові слова: дифузія, масоперенос, моделювання, молекулярна динаміка, міжвузельні атоми, кластер, точкові дефекти, удар, деформація.

АННОТАЦИЯ

Филатов А.В. Миграция атомов при ударной деформации идеальных металлических кристаллов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов. Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной академии наук, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена исследованию общих закономерности массопереноса в металлах в условиях различных видов импульсного воздействия, а также изучению механизма миграции атомов и его взаимосвязи с основными закономерностями деформации кристаллической решетки металла с помощью экспериментальных исследований и компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.

Обнаружено, что при импульсных воздействиях, сопровождающихся пластической деформацией, увеличение дефектности структуры в исходном состоянии замедляет процессы массопереноса атомов. Если же массоперенос при импульсном воздействии происходит в условиях, когда такая деформация отсутствует, то с увеличением плотности дефектов в исходном состоянии скорость массопереноса возрастает.

Предложен критерий для оценки вклада различных механизмов в процесс массопереноса в условиях импульсного воздействия аппроксимацией формы концентрационных профилей функцией C = C₀·exp(-aXⁿ). При n~2 основная роль принадлежит механизму случайных блужданий, при n~1 - направленному переносу атомов с участием междоузельных атомов за счет действия значительной движущей силы в условиях внешних воздействий. На основе анализа формы концентрационных профилей, полученных в результате проникновения атомов радиоактивного покрытия в объем материала показано, что понижение температуры, рост плотности дислокаций в исходном состоянии и увеличение интенсивности ударного воздействия приводят к повышению роли направленного переноса атомов по сравнению с механизмом случайных блужданий.

Изучение с помощью моделирования показало, что механизм пластической деформации нанокристалла металла, не содержащего дефектов, в условиях одноосного нагружения заключается в перестройке его кристаллической структуры, не связанной с миграцией атомов на расстояния, больше периода решетки. Типичной особенностью нанокристаллов металлов с кубической решеткой является эффект резкого падения (на 70-90%) напряжения после начала пластической деформации. Процессы пластической деформации с локальным повышением температуры в условиях импульсного воздействия начинаются вблизи границ зерен, субзерен и поверхности раздела, которые могут являться источниками образования междоузельных атомов и пар Френкеля.

В результате моделирования обнаружено, что наличие собственного междоузельного атома вызывает образование области искажения кристалла - кластера, содержащего до 18 атомов, что приводит к уменьшению энергии активации самодиффузии и определяет низкие значения предэкспоненциального множителя. В кристалле с более плотно упакованной ГЦК решеткой число принадлежащих кластеру "активированных" атомов примерно вдвое превышает таковое для ОЦК кристалла. Поэтому, в отличие от вакансионного механизма, для диффузионного перемещения междоузельного атома в кристалле с ГЦК структурой требуется меньшая энергия активации по сравнению с ОЦК. Элементарный диффузионный скачок атома происходит за время, на порядок превышающее период колебаний атомов в металле. При этом максимальная скорость движения атома составляет ~200-400 м/с.

Зона искажений кристалла вокруг собственного междоузельного атома приводит к притягиванию к нему других междоузельных атомов. Это способствует стабилизации дефектов, образовавшихся при рождении пары Френкеля. Поэтому в процессе массопереноса при ударном механическом и взрывном нагружении могут принимать участие не только одиночные междоузельные атомы, но и их более устойчивые скопления. Понижение температуры уменьшает подвижность междоузельных атомов. Вместе с тем, уменьшение температуры при импульсном воздействии повышает напряжения в кристалле. Это способствует росту величины движущей силы, вызывающей направленное перемещение атомов. Результирующее влияние температуры на массоперенос определяется как результат совместного действия этих процессов.

Ключевые слова: диффузия, массоперенос, моделирование, молекулярная динамика, междоузельные атомы, кластер, точечные дефекты, удар, деформация.

ABSTRACT

Filatov A.V. Migration of atoms at shock deformation of ideal metal crystals. - Manuscript.

Thesis for a degree of Doctor of Physical and Mathematical Sciences on specialty 01.04.13 - physics of metals. G.V.Kurdymov Institute for Metal Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis is dedicated to investigation of main features of mass transfer in metal crystals at mechanical shock deformation and shock wave propagation. Mechanism of diffusion processes at an atomic level and it connection with behavior of crystal lattice were investigated by molecular dynamics simulations and experimental investigations.

Criterion of contribution of different mechanisms in mass transfer was suggested. The concentration profile after mass transfer is given by the equation: C = C₀·exp(-aXⁿ). If n is in the order of 2, the random-jumps' mechanism dominates. In case where n~1 corresponds to a directed flux of atoms in conditions of high-energy effects. In this case a mechanism of interstitial movement becomes a possible candidate for explaining the observed apparent diffusivity. A decrease of temperature of an impulse effect as well as an increase of the level of microstresses of the specimen result in an increase of a directed flux of atoms in comparison with the random-jumps' mechanism.

Molecular dynamics simulation shows the interstitial atom in metal causes formation of distortion area in a crystalline lattice - cluster, which involves up to 18 atoms. In crystals with FCC lattice the number of "activated" atoms, belonging to a cluster, more than twice exceeds those for BCC. Such cluster is more mobile in crystals with FCC lattice in comparison with BCC. The low values of pre-exponential factor and activation energy are caused by the mechanism of a cluster migration.

Keywords: diffusion, mass transfer, molecular dynamics simulations, self-interstitial, clusters, point defects, shock, deformation.

Підписано до друку 2005. Формат 60х84/16. Гарн. Тип Таймс. Пап. офс. №1.

Друк різографічний. Ум. друк. арк. . Ум. фарбо-відб. . Обл.-вид. арк. . Тираж 100 прим. Зам. №

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Україна, 03680, Київ-142, МСП, бульв. Академіка Вернадського, 36.

Поліграфічна дільниця

Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Україна, 03680, Київ-142, МСП, бульв. Академіка Вернадського, 36.

Размещено на Allbest.ru