Компьютерное моделирование термоактивируемой структурной перестройки в бикристалле Ni-Al тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Денисова, Наталья Федоровна

• Денисова, Наталья Федоровна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Денисова, Наталья Федоровна

ф ВВЕДЕНИЕ.

I. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБРАЗОВАНИЯ

ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ В СИСТЕМЕ NI-AL. 1.1. Система Ni-Al.

1.2. Диффузия

1.3. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)

1.4. Компьютерный эксперимент. Методы компьютерного моделирования в физике твёрдого тела

1.4.1 Масштабные уровни исследования в физике твёрдого тела.

1.4.2 Обзор некоторых результатов компьютерного моделирования на микроскопическом атомном уровне.

1.5. Постановка задачи.

II. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ.

2.1. Описание модели.

2.2. Выбор потенциалов для описания межатомного взаимодействия 2.3. Структурные характеристики системы и способы визуализации.

2.4. Эксперименты по тестированию температуры начала диффузионных процессов в структуре чистых металлов.

• III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ

КОМПОНЕНТОВ В СИСТЕМЕ Ni-Al

3.1 Растворение наночастиц А1 идеально-симметричной шестиугольной формы разного размера в никелевой матрице.

3.2. Зависимость скорости полного растворения частиц от температуры и 67 времени компьютерного эксперимента.

3.3. Влияние точечных дефектов на процесс растворения частицы А1.

-Jb 3.4. Влияние одиночной бивакансии на начало диффузионных процессов в бикристалле Ni+Al.

Ф 3.5. Влияние формы внедренной частицы А1 на начала диффузионных процессов.

IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ NI-AL С КОНЦЕНТРАЦИЕЙ КОМПАНЕНТОВ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ ФАЗАМ NI3AL И NIAL.

4.1. Исследование процессов перестройки бикристалла Ni+Al, содержащего 30% и 50% атомов А1.

4.2. Исследование растворения частицы А1 в Ni матрице в зависимости от времени импульсного разогрева.

4.3. Исследование растворения частицы А1 в Ni матрице при циклических процессах импульсного разогрева с закалкой в зависимости от времени компьютерного эксперимента.

4.4. Исследование растворения частицы А1 в Ni матрице в процессе

Л импульсного разогрева в нарастающей серии динамических экспериментов в зависимости от времени.

V. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОРАСТВОРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СМЕСИ, ПРЕДСТАВЛЯЮЩЕЙ СОБОЙ N1 МАТРИЦУ И ЧАСТИЦУ AL СЛОЖНОЙ ФОРМЫ.

5.1. Исследование изменения структуры сплава в процессе динамических экспериментов.

5.2.Исследование изменения структуры сплава в процессе механоактивирующей обработки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерное моделирование термоактивируемой структурной перестройки в бикристалле Ni-Al»

В настоящее время в промышленности, на транспорте, в быту применяются новейшие материалы: пластмассы, керамика, стекло, композиты. Однако доля применения металлов и сплавов не уменьшается, так как в таких областях, как военная, авиационная и космическая промышленность, когда техника призвана работать в условиях высоких скоростей, перепадов высоких и низких температур, агрессивных сред, ударных нагрузок, применяемые материалы должны обладать высокой удельной прочностью, жаростойкостью и теплопроводимостью и рядом специальных свойств, то есть применение металлов и сплавов не уменьшается. Среди групп металлов и сплавов важную роль в качестве практического применения, как конструкционные или жаропрочные сплавы играют упорядоченные сплавы и интерметаллиды. Одной из самых главных особенностей этих сплавов является положительная температурная зависимость предела текучести; особенно это свойство, проявляется в системе Ni-Al. Получение таких соединений из реагентов может происходить при синтезе сжиганием, или самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС), - новая технология получения материалов, основанная на прямом синтезе неорганических соединений в экзотермических реакциях между химическими элементами [1]. Аналогичные процессы происходят при механоактивирующей обработке смеси микропорошков А1 и Ni. Реагенты в СВС процессах используются в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Исследование динамики СВС и фазообразования при синтезе на микроскопическом (атомном) уровне в реальных экспериментах, является трудной задачей. В первую очередь это связано с высокими скоростями и температурами реакции СВС.

Решение подобных вопросов с помощью реальных экспериментов в настоящее время представляется возможным проводить лишь косвенно, причем приходится учитывать те или иные побочные явления, которые зачастую непросто отделить от явлений исследуемых. Реальные эксперименты позволяют изучать процесс самораспрространяющегося высокотемпературного синтеза образования интерметаллидов , как правило, по начальным и конечным состояниям структуры.

Одним из решений этой проблемы является использование метода компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование появилось в физике твердого тела сравнительно недавно. Помимо прочего, оно позволяет исследовать на атомном уровне динамику как быстропротекающих (СВС), так и длительных по времени процессов (старение). Данный метод является дополнением к известным экспериментальным и теоретическим методам исследования, зачастую выступая в роли связующего звена между ними. Компьютерная модель может служить как средством апробации теоретических представлений, так и, наоборот, объяснять или прогнозировать явления, ранее не освещенные теорией и экспериментом в полной мере.

Таким образом, представляется актуальным изучение методами компьютерного моделирования процесса образования интерметаллических фаз и фаз соединений при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе и механоактивирующей обработке в металлах на атомном уровне.

В настоящей работе использовался метод молекулярной динамики, основные достоинства которого по сравнению с другими методами компьютерного моделирования заключаются в том, что атомы в нем не привязаны к узлам идеальной кристаллической решетки. Движение атомов описывается с помощью дифференциальных уравнений движения Ньютона, что позволяет наиболее реалистично моделировать процессы структурно-энергетической перестройки системы при термоактивации и выдержки во времени. Время в методе молекулярной динамики соизмеримо с реальным временем, что позволяет достаточно просто получать значения коэффициентов диффузии и другие характеристики, связанные со временем.

Исследования фазообразования при СВС и механоактивирующей обработке смеси микропорошков проводились для двумерных частиц Ni и А1 с

ГЦК решеткой. Выбор двумерной системы обусловлен в первую очередь тем, что трехмерные системы требуют значительно больше машинного времени. Кроме того, двумерные модели позволяют проводить структурный анализ с применением более простых и наглядных визуализаторов по сравнению с теми, которые используются в трехмерных моделях. Распространение результатов, полученных в двумерных моделях, на реальные трехмерные материалы является условным, но с другой стороны двумерные металлы имеют упаковку, соответствующую плоскости {111} ГЦК металлов, - наиболее плотноупакованной плоскости.

Цель настоящей работы заключается в изучении на атомном уровне особенностей образования зародышей и кластеров интерметаллических фаз и фаз соединений при СВС- синтезе и механоактивирующей обработке смеси микропорошков в двумерных металлах с помощью метода молекулярной динамики.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Денисова, Наталья Федоровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований сделаны следующие выводы: В отсутствии избыточного свободного объема, при внедрении в Ni матрицу сверх малых частиц А1, температура начала диффузионных процессов возрастает с уменьшением размера кластера А1 до температуры, превышающей температуру плавления Ni. Начиная с наночастицы А1, состоящей из 127 ат., температура начала диффузионной перестройки стабилизируется на уровне 800К.

При наличии в бикристалле точечных дефектов (вакансий, бивакансий) температура начала диффузионных процессов резко снижается для всех кластеров наночастиц А1, внедренных в Ni матрицу примерно 500К- 800К. При этом, чем ближе точечный дефект к внедрённой частице А1, тем ниже оказывается температура начала процесса диффузии.

Обнаружено, что с увеличением времени выдержки при некоторых температурах импульсного разогрева в результате флуктуаций возникают и аннигилируют пары Френкеля.

Анализ фазового состава показал образование зародышей и кластеров фаз M2AI, M3AI и разупорядоченной фазы. Причем разупорядоченная фаза является преобладающей, а зародыши и кластеры фаз интерметаллидов оказываются нестабильными.

При моделировании взаимодействия относительно больших частиц А1, составляющих от 30% до 50% концентрационного состава бикристалла Ni+Al было получено что, требуется учитывать возникающие упругие напряжения. Для снятия упругих напряжений на границе частицы А1 и матрице Ni вводился свободный объем, при этом температура начала синтеза понижалась. По температуре был оценен минимум свободного объема. В процессе релаксации и разогрева межфазная граница уплотнялась, и на ней возникали дислокации несоответствия, и А1 частица пластифицировалась.

6. Обнаружено, что с увеличением свободного объема в расчетной ячейке примерно до 10%, скорость диффузии также увеличивается, при большем процентном содержании свободного объема 15,5% происходит образование поры в области межфазной границы, которая блокирует диффузионную зону и снижает скорость взаимной диффузии.

7. В результате динамических экспериментов с процедурой закалки выявлено образование зародышей и кластеров фаз Ni3Al и NiAl для бикристаллов с соответствующей концентрацией компонентов, в то же время обнаружено блокирование роста этих упорядоченных фаз за счет роста разупорядоченной фазы. Кристаллографически структура представляет собой множество наноструктурных зерен с широкими границами раздела, которые в конце эксперимента объединишв монокристалл.

8. Установлено, что в результате динамических экспериментов с аналогичной концентрацией компонентов, наблюдается резкое повышение реальной температуры до 2500К и ЗОООК, соответственно время реакции расплавления внедренных частиц уменьшается до 200пс.

9. Для механической смеси Ni-Al при термоактивации обнаружено образование зародышей новых фаз в начале на вогнутых поверхностях частицы А1, затем следует термоактивная перестройка выпуклой поверхности и за суммарное время ЗООпс происходит выравнивание поверхности частицы.

10. При решения задачи получения максимального количества интерметаллических фаз при синтезе в системе Ni-Al необходимо после разогрева системы, который инициирует активные фазовые превращения выполнить процедуру отжига, температура которого была определена в результате компьютерных экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Денисова, Наталья Федоровна, 2006 год

1. Мержанов А.Г. Теория безгазового горения. Черноголовка, 1973.- 25с.

2. Friedel J. Phil. Mag., 1955, V. 46, 514 p.

3. Хансен M., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургиздат, 1962, Т.1, 609 с.

4. Taylor A., Doyle N.J.// J.Appl.Cristallogr.,1972, V.5, N3, р.201-215

5. Nash P., West D.R.F.// Met.Sci.,1983, V.17, N2, p. 99-100

6. Robertson I.M., Wayman CM J I Metallography., 1984, V. 17, p.43-45.

7. Schoebel J.-D., Stadelmaier H.H.// Metallk., 1962, V. 53, p. 326-328.

8. Минц P.C. и др. // ЖНХ, ДАН СССР , 1962, Т. 7, с. 143.

9. Koster W., Christ R. //Arch. Eisenhuttenw., 1962,V. 33, p. 791-804.

10. Goliber E.W., McKee K.N. // in F.P. Bundy et al. (eds), Progress in Very High Pressure Research, John Wiley and Sons, Inc. New York, 1961, p. 126251.

11. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем.-М.: Машиностроение., 1996, Т.1, 991 с.

12. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций, Пер. с англ. М.:, ИЛ, 1948, 583 с.

13. Лариков Л.Н., Фальченко В.М., Гейченко В.В. Некоторые закономерности диффузии в интерметаллических фазах // Диффузионные процессы в металлах -Тула, Изд-во ТПИ, 1973, с. 138-146

14. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Справ. М.:, Металлургия, 1989, 384 с.

15. Боровский И.Б., Гуров К.П., Марчукова И.Д., Угасте Ю.Э. Процессы взаимной диффузии в сплавах. -М.:, Наука, 1973, 360 с.17,18