Введение к работе
Актуальность темы. Исследование физических механизмов водородного ох-рупчивания (ВО) металлических материалов является фундаментальной научной задачей. Имеющиеся в настоящее время актуальные научно-технологические «открытые» вопросы касаются:
металловедческих аспектов технологической совместимости водородной и металлических сред;
взаимосвязи процессов старения металлических материалов с явлением водородного охрупчивания;
возрастающей актуальности водородной энергетики и связанных с ней задач получения, применения, хранения и транспортировки водорода.
В настоящее время общепринятыми механизмами ВО металлов считаются: механизм индуцированной водородом атомной декогезии (HEDE-механизм - Hydrogen-enhanced decohesion), механизм индуцированной водородом локальной пластичности (HELP-механизм - Hydrogen-enhanced localized plasticity), механизм образования хрупких гидридов. Задачи, которые могут быть поставлены в научной работе по данной теме, обусловлены следующими научными проблемами. Отсутствуют прямые экспериментальные свидетельства в пользу HEDE-механизма, поэтому данный механизм вызывает множество разногласий и споров. HELP-механизм хорошо подтвержден экспериментальными результатами, однако, полная картина деградации свойств металлов не сформирована. Кроме того, отсутствует теоретическое обоснование HELP-механизма. Численное моделирование, которое находится на стыке экспериментальной и теоретической научных областей, является мощным инструментом в исследовании в данной области, и позволит улучшить понимание механизмов протекания ВО.
Объектом исследования является проблема водородного охрупчивания в системе Fe-H.
Предметом исследования являются процессы охрупчивания и деградации механических свойств железа под влиянием водорода, математические модели таких процессов; межатомное взаимодействие в системе Fe-H.
Цель работы заключается в исследовании влияния водорода на механические свойства железа методом классической молекулярной динамики.
Достижение поставленной цели возможно посредством решения следующих задач:
- разработать математические модели и методики вычислительных экспери
ментов по моделированию влияния водорода на прочностные свойства OHK-Fe;
- рассчитать функции межатомного взаимодействия в рамках ЕАМ-
приближения (Embedded-atom method - Метод погруженного атома) для системы
Fe-H;
провести вычислительные эксперименты по моделированию деформированных состояний в идеальных системах OHK-Fe; численно выявить особенности деформаций вдоль различных кристаллографических направлений;
численно выявить влияние объемных кристаллических дефектов на динамику деформации кристаллов OHK-Fe;
провести вычислительные эксперименты по моделированию деформированных состояний в системе Fe-H;
определить влияние водорода на динамику деформации и прочностные свойства ОЦК-Fe;
разработать программный комплекс, позволяющий проводить расчеты методом классической молекулярной динамики систем металл-водород и осуществлять анализ полученных результатов.
Методы исследования. Все вычислительные эксперименты проведены методом классической молекулярной динамики с применением потенциалов в ЕАМ-приближении. В работе использованы технологии объектно-ориентированного программирования. Программно-инструментальные средства реализованы с помощью языка программирования C++ и технологии параллельного программирования ОрепМР.
Достоверность научных положений и выводов обеспечена корректной математической постановкой задачи. Большинство расчетов проведены двумя программными комплексами с применением различных функций межатомного взаимодействия. Полученные результаты показали хорошее соответствие результатам натурных экспериментов [1], первопринципных [2] и молекулярно-динамических расчетов [3].
На защиту выносятся:
функции межатомного взаимодействия для системы Fe-H в БАМ приближении;
результаты вычислительных экспериментов по моделированию деформированных состояний в кристаллических системах Fe;
результаты вычислительных экспериментов по моделированию влияния водорода на механические характеристики железа;
программный комплекс для моделирования металлических систем методом классической молекулярной динамики и анализа полученных результатов.
Научная новизна результатов диссертационной работы, полученных лично автором, заключается в следующем:
сформулированы математические модели для решения проблем водородной хрупкости бездислокационных кристаллов согласно механизму атомной декогезии (HEDE);
получены функции межатомного взаимодействия для системы Fe-H в ЕАМ-приближении; при этом, взаимодействие Fe-Fe воспроизводит свойства как низкотемпературной фазы a-Fe, так и высокотемпературной фазы y-Fe;
показано, что проявление HEDE-механизма при транскристаллитном разрушении систем ОЦК-Fe в наномасштабных областях без участия дислокаций маловероятно;
показано, что деформирование бездислокационных систем Fe-H сопровождается диффузионной пластической деформацией, связанной с повышением растворимости водорода в деформированном железе;
описана атомистика упругой и пластической деформаций в идеальных кристаллических системах ОЦК-Fe и кристаллических системах ОЦК-Fe, содержащих объемный дефект, а также аналогичных системах с примесью водорода;
- методом молекулярной динамики определены качественные и количествен
ные параметры влияния водорода на механические характеристики идеальных сис
тем ОЦК-Fe и систем, содержащих объемные кристаллические дефекты;
- создан программный комплекс, позволяющий проводить молекулярно-
динамическое моделирование систем металл-водород с применением потенциалов
межатомного взаимодействия в приближениях парного взаимодействия, БАМ и
ADP (Angular-dependent potential), в котором применена технология параллельного
программирования ОрепМР, позволяющая эффективно использовать вычислитель
ные мощности современных ЭВМ.
Личный вклад автора заключается в расчете функций межатомного взаимодействия для системы Fe-H в ЕАМ-приближении. Автором сформулирована математическая модель для решения проблем водородной хрупкости, проведены вычислительные эксперименты и проанализированы результаты. Разработан программный комплекс для расчетов методом классической молекулярной динамики.
Практическая значимость работы заключается в исследовании явления ВО металлических материалов, представляющего собой фундаментальную научную проблему. Рассчитанные функции межатомного взаимодействия для системы Fe-H являются на сегодняшний день одними из наиболее перспективных, и могут быть применены в дальнейших исследованиях по данной тематике. Разработанный программный комплекс представляет собой гибкий универсальный инструмент для исследований методом классической молекулярной динамики.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Всероссийских и Международных конференциях:
- 2-я Международная школа «Физическое материаловедение» (Тольятти,
2006);
18-я Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006);
46-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2007);
Российская школа, посвященная 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию СП. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева» (Миасс, 2007);
4-я научно-техническая конференция с международным участием "Приборостроение в XXI веке" (Ижевск, 2007);
Международная научная конференция: 75 лет высшему образованию в Удмуртии (Ижевск, 2006);
12-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006);
13-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Ростов-на-Дону - Таганрог, 2007);
33-я итоговая студенческая конференция (Удмуртский Государственный Университет, Ижевск, 2005);
34-я итоговая студенческая конференция (Удмуртский Государственный Университет, Ижевск, 2006);
- 35-я итоговая студенческая конференция (Удмуртский Государственный Университет, Ижевск, 2007).
В целом диссертационная работа обсуждена на заседании расширенного научного семинара отдела «Механика деформируемого твердого тела и новых материалов» ИПМ УрО РАН (рук. - зав. отделом, д.т.н., с.н.с. В.Б. Дементьев), на заседании ученого совета ИПМ УрО РАН (рук. - академик РАН А. М. Липанов).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 16 научных работах, из них 9 статей (в том числе - 3 статьи в журналах из перечня ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 130 страницах, включая 33 рисунка, 6 таблиц. Список литературы содержит 169 наименований.
