Введение к работе
Актуальность темы.
Интерес к аморфным металлическим сплавам (АМС) остается стабильным на протяжении нескольких десятков лет. Этот факт объясняется тем, что аморфное состояние характеризуется специфическими физическими, механическими, химическими и другими свойствами, существенно отличающимися от свойств тех же сплавов в кристаллическом состоянии. Так, например, при достаточно хорошей пластичности АМС обладают высокой прочностью и износостойкостью, в ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расширения, стойкость против коррозии и радиационного разрушения, высокие магнитную проницаемость, удельное электросопротивление, сверхпроводимость и поверхностную активность, низкую коэрцитивную силу. Материалы с указанными выше свойствами могут быть использованы и уже используются для создания режущего инструмента, сердечников трансформаторов, магнитных головок и экранов, электромагнитных фильтров, антикоррозионных покрытий, термометров для гелиевых температур, катализаторов и т.д.
Проблема атомной структуры АМС является одной из важных и не решенных проблем в физике конденсированного состояния, представляющей значительный интерес с точки зрения фундаментальной науки. Причина отсутствия значительных успехов в этой области связана с тем, что АМС не имеют периодической структуры, поэтому, получаемые в экспериментах данные являются усредненными и могут соответствовать нескольким альтернативным модельным описаниям структуры. Аморфи-зация, по-видимому, одно из тех явлений в физике твердого тела, атомный механизм которого на сегодняшний день до конца не выяснен. Привлечение методов компьютерного моделирования позволит ответить на ряд актуальных вопросов об атомной структуре и механизмах аморфизации, интерпретировать неоднозначность экспериментальных результатов. Решению этих проблем посвящена диссертация.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: "Влияние особенностей сил межатомного взаимодействия на механические свойства, фазовые переходы и высокотемпературную сверхпроводимость". По программе фундаментальных исследований "Физика твердого тела". Государственный бюджет № 01.9.40 003588, при финансовой поддержке гранта № а 96-40 Международной Соросовской программы образования в области точных наук "Института Открытое Общество".
Цель и задачи работы:
Основная цель работы состояла в исследовании атомных механизмов аморфизации металлических сплавов на основе компьютерных экспериментов, имитирующих процессы сверхбыстрой закалки из расплавленного состояния. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
-
В рамках теории псевдопотенциала рассчитывались потенциалы парного взаимодействия (ППВ).
-
Исследовалось влияние характера ППВ на склонность сплавов различного состава к аморфизации.
-
Методом молекулярной динамики (ММД) имитировался процесс сверхбыстрой закалки расплавов Ni-Zr, Zr-Be и Ni-B.
-
На основе полученных моделей исследовались атомные механизмы аморфизации.
-
Рассчитывались структурные и динамические характеристики сплавов в аморфном состоянии: функции радиального распределения атомов (ФРРА), координационные числа, плотности колебательных состояний атомов (ПКСА).
Научная новизна работы.
В диссертационной работе, в приближении парного взаимодействия, впервые, показано, что к аморфизации склонны сплавы, в межатомных потенциалах компонент которых существует значительная разница поло-
жений или глубин первых минимумов потенциальных ям, что приводит к образованию группировок атомов с сильными межатомными связями внутри группы по отношению к внешним связям.
На основе компьютерных экспериментов, имитирующих сверхбыструю закалку из жидкого состояния, проведены исследования, позволившие проследить за перестройкой атомов в процессе перехода в аморфное состояние. Показано, что АМС не является замороженной жидкостью, а представляет собой результат сложной организации, связанной с зарождением, ростом и самоорганизацией некристаллических кластеров. Полученные в компьютерных экспериментах модели подтверждают микронеоднородное строение АМС. Согласно этим моделям предлагается следующий механизм аморфизации: при плавлении решетка разрушается, и атомы свободно диффундируют в жидкой фазе. За времена ~10"'с те атомы, которым это энергетически выгодно, начинают объединяться в комплексы. Находясь еще в жидкой фазе, они образуют низкоразмерные, некристаллические, нанометрических размеров кластеры по форме близкие к дендритам. Так же образуются субмикронесплошности. При кристаллизации кластеры сохраняются, атомы, не входящие в их состав, занимают случайные позиции, образуя более разупорядоченные, аморфные области. Размеры и композиционное упорядочение кластеров зависят от характера сил межатомного взаимодействия. Полученные результаты свидетельствуют в пользу кластерной модели строения аморфных металлических сплавов [1]. На зашиту выносятся:
-
Взаимосвязь характера сил межатомного взаимодействия со склонностью сплавов к аморфизации.
-
Микронеоднородное строение АМС и существование в них нанометрических субмикронесплошностей.
-
Атомный механизм аморфизации металлических сплавов, полученный на основе компьютерных экспериментов по сверхбыстрой закалке из жидкого состояния.
4. Результаты представляющие АМС состоящим из низкоразмерных, дендритоподобных, некристаллических, локально - упорядоченных кластеров, находящихся в более разупорядоченной среде.
Научная и практическая значимость.
Установленные в диссертационной работе атомные механизмы амор-физации металлических сплавов могут служить основой для разработки атомной теории строения неупорядоченных структур.
Полученные результаты способствуют дальнейшему развитию кластерных моделей строения АМС и позволяют интерпетировать неоднозначность экспериментальных данных.
Полученная корреляция результатов с экспериментом свидетельствует, что компьютерное моделирование является эффективным средством для выявления основных принципов строения АМС.
Апробация работы:
Материалы диссертации докладывались на:
IX, X Совещаниях по стеклообразному состоянию (г. Санкт-Петербург, 1995г, 1997 г.).
XXXVII Постоянном международном семинаре по компьютерному моделированию дефектов структуры и свойств конденсированных сред (г. Ижевск, 1994 г.).
III-IV Межгосударственных семинарах "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (г. Обнинск, 1995 г., 1997 г.).
Ни III Российских семинарах "Компьютерное моделирование физико -химических свойств стекол и расплавов" (г. Курган, 1994 г, 1996 г.).
II Российской университетско - академической научно - практической конференции (г. Ижевск, 1995 г.).
Российском семинаре "Структурная наследственность в процессах сверхбыстрой закалки расплавов" (г. Ижевск, 1995 г.).
III-IV Международных школах - семинарах "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (г. Барнаул, 1996 г., 1998 г.).
International Workshop on New Approaches to HI-TECH Materials 97 Nondestructive Testing and Computer Simulations in Materials Science and Engineering NDTCS-97 (St. Peterburg 1997).
XIV уральской школе металловедов - термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (г. Ижевск 1998 г.).
Мемориальном симпозиуме академика В.Н. Гриднева "Металлы и сплавы: фазовые превращения, структура, свойства" (г. Киев 1998 г.).
Международной конференции "Стекла и твердые электролиты" (г. Санкт-Петербург 1999 г.).
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 22 научных изданиях, представленных в списке литературы в конце автореферата. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из вводной части, четырех глав и заключения. Работа изложена на 168 страницах, содержит 41 рисунок, 9 таблиц, оглавление и список цитируемой литературы из 134 наименований.