Введение к работе
Актуальность темы. Нанокристаллические (НК) материалы, то есть поликристаллы, имеющие размер зерен порядка или менее 100 нм, представляют особый интерес для фундаментальных исследований и прикладных разработок. Эти материалы имеют необычные физико-механические свойства, привлекательные с точки зрения будущих применений. Так, при комнатной температуре нанокристаллы обладают прочностью, в несколько раз превышающей прочность обычных, крупнокристаллических материалов. При умеренно высоких температурах нанокристаллы способны к высокоскоростной сверхпластической деформации.
Для получения нанокристаллов используются различные методы, основанные на интенсивной пластической деформации, кристаллизации из аморфного сплава, газовой конденсации, электроосаждении и других способах воздействия. Несмотря на множество способов получения, общим свойством свежеприготовленных НК материалов является тот факт, что большинство границ зерен (ГЗ) в них находится в неравновесном состоянии, обусловленном неравновесным характером самого процесса приготовления. Под неравновесным состоянием ГЗ подразумевается состояние, в котором границы обладают дальнодействующими полями упругих напряжений и избыточной энергией по сравнению с равновесными границами, имеющими те же геометрические параметры [1]. Как правило, неравновесное состояние ГЗ связано с наличием в границе линейных дефектов, таких как дислокации и дисклинации.
Неравновесное состояние ГЗ существенно влияет на физико-механические свойства поликристаллов, и этим объясняются значительные отличия свойств нанокристаллов от свойств крупнозернистых поликристаллов [2].
Одним из наиболее чувствительных к структуре ГЗ свойств материалов является диффузия, в особенности диффузия по ГЗ. Механизмы зернограничной диффузии в НК материалах интенсивно исследовались различными методами, как экспериментальными, так и теоретическими. Экспериментальные данные о коэффициенте диффузии по границам зерен Db в наноматериалах оказались весьма противоречивыми: одни свидетельствуют о повышении Db при наноструктурировании на многие порядки по сравнению с коэффициентом диффузии по границам зерен обычных поликристаллов, тогда как другие говорят о лишь незначительном его изменении. Вместе с тем, экспериментальные данные свидетельствуют о тесной связи между Db и состоянием ГЗ в нанокристаллах. В частности, коэффициенты диффузии, измеренные непосредственно после получения наноматериалов и после предварительного отжига, могут отличаться на порядок. Предложенные к моменту постановки задач диссертации теоретические исследования зернограничной диффузии в нанокристаллах носили в основном феноменологический характер и не могли внести достаточного понимания атомных механизмов повышения коэффициента зернограничной диффузии в нанокристаллах.
Для понимания механизмов диффузии и природы изменения диффузионных свойств ГЗ в наноматериалах большую роль играет атомное компьютерное моделирование. Структура наноматериалов и диффузионные процессы в них в последние годы довольно интенсивно исследовались методами компьютерного моделирования. Однако эти исследования не учитывали главной особенности наноматериалов - неравновесного состояния ГЗ. К моменту постановки задач диссертации в литературе практически отсутствовали работы, посвященные исследованию особенностей диффузии по неравновесным границам зерен. В связи с этим, исследование диффузион-
ных свойств неравновесных ГЗ с использованием компьютерных моделей является актуальной задачей.
Целью работы является оценка влияния неравновесного состояния границ зерен на коэффициент диффузии по ним в наноструктурных материалах, полученных интенсивной пластической деформацией.
Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Построение атомных моделей неравновесных ГЗ. Неравновесное состояние ГЗ, главной отличительной чертой которых является наличие внутренних напряжений, создавалось путем приложения однородного внешнего напряжения, введением в границу зернограничной дислокации и зернограничной дисклинации.
Расчет основных энергетических характеристик вакансий - энергии образования и энергии активации миграции в ГЗ с неравновесным состоянием.
Оценка влияния неравновесного состояния ГЗ на концентрацию вакансий и на коэффициент зернограничной диффузии.
Научная новизна работы заключается в том, что:
построены атомные модели неравновесных границ зерен специальной и произвольной геометрии, содержащих внесенные дефекты дислокационного и дискли-напионного типа;
рассчитаны основные энергетические характеристики точечных дефектов, определяющие коэффициент диффузии, в неравновесных границах: энергия образования вакансии и энергия активации миграции вакансии;
оценены изменения концентрации вакансий и коэффициента зернограничной диффузии в неравновесных ГЗ по сравнению с равновесными границами;
проведено исследование распределения энергии образования вакансий в ГЗ общего типа; обнаружено существенное влияние зернограничной дисклинации на эти характеристики.
Положения, выносимые на защиту:
Атомные модели зернограничной дисклинации в границах наклона и границах общего типа.
Установленный факт, что внутренние напряжения в нанокристаллах, вызванные зернограничными дислокациями и дисклинациями, могут вызвать изменение коэффициента зернограничной диффузии на два и более порядков.
Установленный факт, что энергия образования вакансий в ГЗ общего типа имеет бимодальный характер с двумя пиками, один из которых лежит в области очень малых значений, а второй - в области значений, близких к энергии решеточной вакансии. При этом вакансии как с низкой, так и с высокой энергией примерно равномерно распределены по толщине ГЗ, то есть граница зерен общего типа представляет собой слой с однородными диффузионными свойствами.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях и семинарах: семинарах ИПСМ РАН, Международной конференции "Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов", посвященной 15-летию ИПСМ РАН (Уфа, 2000); Республиканской конференции студентов и аспирантов (Уфа, 2001); Республиканской конференции "Машиноведение, конструкционные материалы и технологии" (Уфа, 2002); Международной конференции "Interfaces in Advanced Materials" (Москва, 2003); TMS Meeting-2006; Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов XVI» (Самара, 2006); 2nd International Symposium "Physics and Mechanics of Large Plas-
tic Strains" (С.-Петербург, 2007); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006); International symposium "Bulk nanostractured materials: from fundamentals to innovations" (Уфа, 2007); XI International conference "Imperfections interactions and anelasticity phenomena in solids" (Тула, 2007) Открытой школе-конференции стран СНГ Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2008» (Уфа, 2008).
Публикации. Полученные результаты работы представлены в 9 статьях, включая 5 статей в рецензируемых журналах и 4 статьи в сборниках трудов российских и международных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложена на 151 странице и содержит 44 рисунка и библиографию из 164 наименований.
