Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Представления деформации нановолокон металлов и сплавов . 12
1.1. Нанотехнологии и свойства материалов. 12
1.1.1. Основные термины. 14
1.1.2. Мир нанотехнологий. 15
1.2. Применение нанотехнологий и наноматериалов . 17
1.3. Производства наноматериалов. 22
1.4. Методы экспериментальных и теоретических исследований наноматериалов. 23
1.5. Исторический обзор развития и применения метода МД. 27
1.6. Основные задачи, решаемые с помощью МД. 29
1.7. Постановка задачи. 34
Глава 2. Моделирования компьютерной модели. 36
2.1. Модель эксперимента. 36
2.2. Парные потенциалы: Морза. 41
2.3. Уравнения, описывающие деформацию и напряжение . 44
2.4. Многочастичные потенциалы: Клери-Розaто. 45
2.5. Описание использованной модели применяемой в работе. 47
2.5.1. Выбор температуры компьютерного эксперимента. 47
2.5.2. Учет теплового термического объемного расширения нановолокна. 48
2.5.3. Картина радиального распределения. 49
2.5.4. Визуализаторы атомной структуры. 49
2.5.5. Моделировании смещений вблизи захватов.
Глава 3. Деформация нановолокон Ni с использованием парных потенциальных функций Морзе . 54
3.1. Влияние длины наноблоков. 54
3.2. Влияние объема на механические свойства нановолокон Ni. 59
3.2.1. Атомная структура материала в зонах пластической деформации, течение и разрыва. 62
3.3 Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения . 66
3.4. Механические свойства Ni нанопленок. 69
3.5. Особенности процессов деформации и разрушения наноблоков Ni при различных температурах. 74
3.6. Влияние концентрации вакансии на структурную деформацию и механическую прочность. 77
3.7. Основные выводы. 81
Глава 4. Молекулярные динамическое исследование для ультратонких сплава Ni3Fe . 83
4.1 Молекулярно динамическое исследование ультратонких образцов сплава Ni3Fe. 84
4.1.1 Атомное распределение компонент во время растяжения. 85
4.1.2. Стадии деформации для различных по длине нановолокон сплава Ni3Fe при 300К. 88
4.1.3. Влияние длины на предел текучести. 90
4.1.4. Влияние длины образца на положение разрушения и время разрушения образцов сплава Ni3Fe . 91
4.2. Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения. 93 4.3. Влияние температуры эксперимента на характеристики деформации и разрушения нановолокна. 4.4. Основные выводы.
102
Глава 5. Механические свойства наноблоков Ni: Молекулярно-динамическое исследование с использованием Клери - Розато потенциала . 104
5.1. Результаты и обсуждение: влияние размера. 104
5.1.1. Четыре стадии деформации для различных наноблоков Ni при 300К. 106
5.1.2. Влияние размера образца на предел текучести. 108
5.1.3. Отношение между напряжением и деформацией для различных по размерам наноблоков Ni. 107
5.1.4. Пластическая деформация для различных наноблоков кубической формы при 300 К. 109
5.1.5. Третья стадия деформации – течение. 111
5.1.6. Влияние размера на положение разрушения и время разрушения. 112
5.2. Особенности процессов деформации и разрушения наноблоков никеля при различных температурах. 114
5.3. Влияние Концентрация вакансий на структурную деформацию и механическую прочность наноблоков никеля. 117
5.4. Сравнение полученных результатов в зависимости от подходов в описании межатомных взаимодействий. 120
5.5. Основные выводы. 124
Заключение.
Список публикаций по результатам, представленным в работе.
Литература.
- Применение нанотехнологий и наноматериалов
- Уравнения, описывающие деформацию и напряжение
- Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения
- Влияние длины образца на положение разрушения и время разрушения образцов сплава Ni3Fe
Введение к работе
Актуальность проблемы. Объектами нанотехнологий являются наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки, которые характеризуются размерами до 100 нм. Нанонаука не может во всех случаях опираться ни на классическую механику сплошных сред, ни на положения статистической термодинамики. Нановолокна и композиты на их основе привлекают к себе внимание, благодаря своим необычным механическим и электрофизическим свойствам, а также многообразию перспектив их практического применения. В настоящее время работы ограничиваются, в основном фундаментальными исследованиями. Это происходит, в частности, из-за сложности манипулирования объектами такого масштаба. Работа по получению и исследованию структуры и различных вариантов применения нановолокон является одной из наиболее актуальных задач современной науки.
Метод молекулярной динамики хорошо зарекомендовал себя при проверке выводов различных теорий. Данный метод позволяет рассчитать любые свойства системы, как термодинамические (например, энергию, давление, энтропию), так и кинетические (коэффициенты диффузии, частоты колебаний атомов), причем в данном методе имеется возможность соизмерять динамику исследуемых процессов с реальным временем. Главным недостатком метода, по сравнению с другими, являятся большие затраты машинного времени, требуемые для выполнения расчетов Возросшие в последнее время возможности вычислительной техники позволили использовать методы компьютерного моделирования для исследования механизмов миграции атомов и трансформации структуры при температурно-силовых воздействиях, требующих более продолжительных и относительно сложных компьютерных экспериментов.
Многие нановолокна и сплавы обладают уникальными свойствами. Если рассматривать свойства частиц материала, имеющих размеры порядка десятков и сотен нанометров, то в таких частицах по сравнению с большими объектами возрастает доля поверхностных атомов или молекул по сравнению с атомами (молекулами) в объеме. Это влияет на свойства частиц в целом. Электрические, магнитные, механические и некоторые другие свойства материала, состоящего из наночастиц, перестают быть постоянными и начинают зависеть от формы частиц, размеров, при различных температурах и наличии различных типов дефектов и несовершенств.
Известно, что структурно-энергетические превращения в процессе деформации имеют свою стадийность. Каждая стадия отличается типом образующихся дефектов и характером взаимодействия между ними.
Представленное исследование, с привлечением метода молекулярной динамики, структурно-энергетических превращений в нановолокнах чистых ГЦК металлов Ni и сплава Ni3Fe, в зависимости от их конфигурации, формы и размеров, в процессе высокоскоростной деформации одноосного растяжения при различных температурах является актуальным.
4 Новая концепция использования нановолокон как строительных блоков для логических и запоминающих схем делает абсолютно необходимым полное понимание механического поведения таких объектов.
Цель работы в изучении методами компьютерного моделирования структурной перестройки нановолокон, подвергнутых высокоскоростной деформации в зависимости от конфигурации, формы и размеров, концентрации вакансий при различных температурах. Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи:
1- Построение математической модели, которая в едином подходе
объединяет как механизмы деформационного поведения, так и механизмы
разрушения дальнего атомного порядка в нановолокнax Ni и сплава Ni3Fe.
2- Детальное рассмотрение и математическое описание влияния формы,
размера, температуры и концентрации вакансий на механические свойства
нановолокон Ni и сплава Ni3Fe.
3- Сделана попытка оценить возможное влияние различных форм, размеров
нановолокон, температуры, концентрации вакансий, на особенности
структурно-энергетических превращений, протекающих в них во время
одноосного растяжения.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что методом молекулярной динамики на атомном уровне исследованы основные стадии структурно-энергетических превращений, происходящих в нановолокнах Ni и Ni3Fe различных форм, размеров и концентрации вакансий в процессе высокоскоростной деформации растяжения, при различных температурах. Моделирование проводилось с использованием как парных потенциалов межатомного взаимодействия типа Морза, так и потенциалов Клери –Розато, построенных на основе первопринципных положений.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для развития теории пластической деформации и при исследовании деформации нановолокон ГЦК металлов и сплавов, могут быть использованы для развития современных представлений о процессах протекающих на микро-уровне в твердых телах. Изучение механических свойств нановолокон металлов и сплавов полезно для проектирования, изготовления наноустройств. Настоящее исследование демонстрирует успех моделирования при изучении основных механизмов пластичности и разрушения неноблоков на атомном уровне. Результаты компьютерного моделирования могут быть использованы в качестве демонстрационного материала для студентов материаловедческих специальностей, на их базе возможно создание работ для лабораторного практикума.
На защиту выносятся следующие положения:
1. При исследовании особенностей процессов деформации и разрушения нановолокон допустимо применение для описания межатомных взаимодействий наряду с первопринципными (ab initio ) потенциалами Клери –Розато, так и простых парных потенциалов типа Морза..
-
Оценить распределение четырех стадий деформации нановолокон: квазиупругой, пластической, течения, разрушения по интенсивности и протяженности в зависимости от концентрации вакансий, формы и размеров образцов.
-
Температура эксперимента влияет на характер структурно-энергетических превращений на всех этапах деформации. Температуры влияет на длительность всех стадии деформации, в частности на количество генерируемых точечных дефектов на первой стадии деформации и величину откольной прочности материала.
-
Точечных дефектов вакансий: вакансий эксперимента влияет на характер структурно-энергетических превращений на всех этапах деформации. Величина вакансий влияет на длительность первой стадии деформации, количество точечных дефектов на первой стадии деформации и величину откольной прочности материала.
-
Результаты моделирования могли быть полезны для того, чтобы избежать разрушения материалов, предсказывая (предугадывая) положение разрушения. С помощью моделирования молекулярной динамики было исследовано поведение нановолокнах Ni с различными концентрациями вакансий при растяжении.
Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и российских конференциях и симпозиумах: всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молоджь – 2013» ( АлтГТУ 25 - 30 апреля 2013), IV международной научно-практтичееской Конференции ( АлтГТУ 4- 5 апреля 2013), 5-ой Международной конференции "Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств"( АлтГТУ с 18 - 19 декабря 2013), INTERNATIONAL CONFERENCE« Hierarchically built systems of organic and inorganic nature» (Tomsk Russia September 9-13, 2013), European Materials Research Society (E-MRS) FALL MEETING ( Warsaw University of Technology, Warsaw, September 16-20,Poland,2013) ,54 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (11–15 ноября 2013 года, Екатеринбург, Россия), 3rd International Conference on Mathematics & Information Science «ICMIS 2013» (Luxor, Egypt, 28-30 Dec. 2013), конференции «Наследственная
м еханика деформирования и разрушения твердых тел - научное наследие Ю.Н. Работнова»(Москва, 24-26 февраля 2014, Институт машиноведения механике -Российская академия наук).
Публикации, Результаты работы отражены в 14 публикациях в российских и зарубежных изданиях, семь из которых в журналах, включенных в список ВАК для публикации диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и заключения, полученных в настоящей работе и списка литературы. Объем диссертации составляет 147 страницы, из которых 70 рисунка и 18 таблицы. Список литературы содержит 176 наименования.
Применение нанотехнологий и наноматериалов
Приоритетным направлением развития науки и техники является исследование и разработка новых материалов и химических продуктов, удовлетворяющих различным потребностям развития общества, охраны окружающей среды. В обеспечение этого одной из основных задач является разработка научных основ и практических рекомендаций в области синтеза и конструирования принципиально новых химических продуктов и перспективных материалов, отвечающих мировым требованиям, радиационностойких, биосовместимых, сверхпластичных, композиционных наноматериалов для медико-биологических целей, прогрессивных материалов электронной техники[1].
Изучение наноматериалов, как направление нанотехнологическии, базируется на нескольких фундаментальных и прикладных науках. Основой являются такие фундаментальные науки как: физика, химия и биология, на стыке которых находятся несколько интегративных направлений: квантовая теория [2-4](описывающая способы поведения и взаимодействия элементов наноструктур в нанометровом диапазоне), физическое материаловедение (точнее его часть, изучающая свойства наноматериалов), статистическая физика и химия (поскольку законы поведения материи приобретают не детерминированный, а вероятностный характер), химический синтез, биохимия и молекулярная биология (описывающие наноструктуры биологического происхождения и химические процессы синтеза наноструктур и протекающие в самих наноструктурах). Современная методология экспериментальных исследований предполагает наличие моделей (в идеале адекватных компьютерных) исследуемых структур, а также методов получения информации о свойствах и структуре моделируемых объектов [5].
Нановолокна и композиты на их основе привлекают к себе внимание, благодаря своим необычным механическим и электрофизическим свойствам, а также многообразию перспектив их практического применения [6]. В настоящее время работы ограничиваются в основном фундаментальными исследованиями. Это происходит, в частности, из-за сложности манипулирования объектами такого масштаба. Работа по получению и исследованию структуры и различных вариантов применения нановолокон является одной из наиболее актуальных задач современной науки [7,8].
Исследование свойств наноразмерных материалов и разработка технических приложений на их основе составляют важный раздел физики конденсированного состояния и физического материаловедения. Возможности синтеза и управления функциональными свойствами на уровне отдельных молекул или кластеров привели к тому, что изучение наноструктур стало актуальным как в практическом, так и теоретическом плане. По сути, интерес исследователей сместился к изучению физических объектов, лежащих на стыке классической и квантовой физики [9-13]. Число взаимодействующих частиц в этих объектах (магнитные сплавы, углеродные нанотрубки, нанокапли жидкого гелия, классические и квантовые наноразмерные структуры) сравнительно невелико – несколько десятков или сотен. Для описания таких систем необходима разработка методов исследования локальной микроструктуры (ближний порядок), учитывающих как классические, так и квантовые молекулярные корреляции. Размерный эффект – общее название зависимостей удельных характеристик материала от размера его частиц. Размерные эффекты сказываются на физических и химических свойствах. Это термодинамические, механические, транспортные, оптические и магнитные свойства, реакционная способность.
С уменьшением размера элементов значительно возрастает роль поверхностей раздела (доля приповерхностных атомов увеличивается от долей процента до нескольких десятков процентов). Свойства поверхностей раздела в нанометровом диапазоне размеров могут сильно отличаться от таковых для крупнокристаллических материалов (краевые эффекты, влияние сил изображения, различия поверхностей раздела в нанокомпозитах). Размер элементов наноструктур соизмерим с характерными размерами некоторых физических явлений (например, с длиной свободного пробега в явлениях переноса); размерные эффекты в наноструктурах могут иметь квантовый характер [14]. Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:
1) фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
2) развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
3) развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.
«Нанотехнология» - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле – этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов;
«Наноматериал» - материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками;
«Наночастицы» - в силу своих размеров, обладают свойствами, которые не наблюдаются у микро- и макрообъектов. Металлические наночастицы достаточно легко поддаются нанофабрикации с получением разнообразных высокоупорядоченных наноструктур: нанопленок, нанодисков, нанокристаллов, нанопроволок и т.д.
Уравнения, описывающие деформацию и напряжение
При моделировании физических процессов на атомном уровне энергия межатомного взаимодействия или внутренняя (потенциальная) энергия рассматривается как фундаментальное свойство кристалла. Одним из основных условий успеха моделирования процессов на атомном уровне является корректное описание межатомного взаимодействия. Универсального потенциала взаимодействий атомов не существует. Наиболее простой способ описания представляется с использованием парных потенциалов, в которых приняты следующие ограничения: все межатомные взаимодействия изотропны и аддитивны, силы действуют между центрами частиц, составляющих кристаллическую решетку; поверхностные эффекты не учитываются. В такой системе энергия кристалла может быть представлена как сумма парных взаимодействий между центрами атомов. В этом случае потенциальная энергия системы N атомов представляется в виде: потенциальная функция взаимодействия пары отдельных атомов i и j; rij - расстояние между i-м и j-м атомами. Ограничение парным потенциалом межатомного взаимодействия значительно упрощает вычисления при расчетах систем с большим числом частиц, но возможны также применения и потенциалов более сложных форм (многочастичных, первопринципных и т.д.).
Парные потенциалы относятся к эмпирическим потенциалам -потенциалам, основанным на простых выражениях, содержащих параметры, которые могут быть выбраны так, чтобы потенциал правильно описывал некоторые свойства вещества. Атомистическое моделирование, в том числе методами МД, основывается на математическом описании взаимодействия между атомами. От точности этого описания зависит успех решения конкретной задачи и точность предсказаний, сделанных на основе результатов моделирования. При моделировании классическими методами взаимодействия описываются с помощью парной функции фij , определяющей зависимость потенциальной энергии системы из атомов от их координат.
При решении задач МД осуществляется контроль над потенциальной U и кинетической E энергиями расчетной ячейки. Потенциальная энергия вычисляется по формуле (2.1),
При выборе шага интегрирования At используют эмпирическое правило: флуктуации полной энергии системы не должны превышать флуктуации потенциальной энергии [144]. Как правило, шаг интегрирования в методе молекулярной динамике выбирается таким образом, чтобы он был примерно на два порядка меньше периода колебания атомов, что составляет 10 13-10 15 с.
Начальные значения координат задаются псевдоусловно. Сначала определяются параметры решетки, соответствующие минимуму потенциальной энергии кристалла. Затем выполняется предварительная релаксация кристаллической решетки с целью выявления устойчивого равновесия системы атомов. При повышении температуры учитывается коэффициент теплового расширения решетки, связанный с увеличением межатомных расстояний.
Позиции и скорости всех N атомов расчетной ячейки характеризуются 2 N координатами (С, - мерность расчетной ячейки): Xifc(t) описывают позиции в пространстве, Vik(t)= d Xifc(t)/dt - скорости (k - индекс координатной оси).
Для решения системы уравнений (2.4) применяют численный метод интегрирования дифференциальных уравнений. Использование широко известного метода Эйлера с полушагом [145, 146] дает систему уравнений в конечных разностях:
При выборе шага интегрирования пользуются эмпирическим правилом, согласно которому флуктуации полной энергии системы должны быть меньше флуктуации потенциальной энергии. Чтобы понизить величины энергетических флуктуаций на параметр времени t накладывают математические и физические ограничения. Математические ограничения соответствуют погрешностям округлений, связанных с выполнениями математических операций. Физические ограничения обусловлены тем, что шаг интегрирования должен быть, по крайней мере, менее наименьшего периода атомных колебаний. В жидком и особенно кристаллическом состоянии при определенной температуре атомы совершают периодические колебания относительно положения, соответствующего минимуму потенциальной энергии. Если шаг интегрирования выбрать больше наименьшего периода, колебания станут апериодическими, что должно привести к возрастанию энергии и разрушению структуры.
Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения
Стадия I завершалась точкой бифуркации запасенной энергии, в результате чего кристалл перестраивался в иную структуру, содержащую планарные дефекты. В результате проскальзывания частей нановолокна возникали субструктурные блоки с дефектами упаковки на границах между блоками, которые впоследствии обеспечили наличие и развитие следующей стадии II – пластической деформации.
Рис.3.5 демонстрирует зависимость предела текучести наноблока от длины, который уменьшается почти по линейному закону с ростом длины. Отклонения от линейности по-видимому могут быть уменьшены при увеличении числа атомов в исследуемых наноблоках. На первой стадии деформации в нановолокнах Ni при температурах накапливались точечные дефекты в виде междоузлий и вакансий. Количество точечных дефектов увеличивалось с ростом температуры эксперимента. В конце первой стадии в результате проскальзывания частей нановолокна образовывались субструктурные блоки с дефектами упаковки на границах между блоками. С ростом деформации на границах имеющихся субструктурных блоков образовывались новые субструктурные блоки путем поворота участков нановолокна.
Отношение между пределом текучести и длина для различных нановолокони Ni при различных температурах. 3.2.1. Атомная структура материала в зонах пластической деформации, течение и разрыва.
В зоне пластической деформации происходит структурная перестройка исследуемых образцов. Картина структурных изменений, происходящая в образце 40 x 40 x 40. показана на рис. 3.6. Сплошными линиями выделены зоны проскальзывания дислокаций с образованием на поверхности образца ступенек. Внутри блока формируются двойники. При дальнейшей деформации возрастает число возникающих дислокаций, в том числе и в других плоскостях скольжения.
Посредством дальнейшего анализа, находим, что на последнем этапе пластической деформации образуется шейка, деформация развивается в основном за счет реконструкции и перестройки области шейки. За пределами этой области, нановолокона сохраняется упорядоченная структура и не наблюдаются существенные изменения. Атомное распределение компонент для 404040 нановолокон Ni. Деформации растяжения, скольжение, скольжения домена и двойникования в момент времени 100 пс в области пластической деформации.
Стадия пластической деформации переходит в следующую третью стадию -течение. На этой стадии образуется шейка. Если образец достаточно длинный может возникать несколько шеек. Может возникать эффект бегающей шейки. Пример атомной структуры наноблока размера 40 x 40 x 40 приведен на рисунке 3.7 (а, б) демонстрирует эволюцию во времени структуры образца на стадии течения, во времени. рис.3.7. Атомное распределение компонент для 404040 нановолокна Ni при деформации растяжения: скольжение, образование доменов и двойникование (a) в момент времени 400 пс, (б) атомная структура 5-ой плоскости 101 в момент времени 400 пс.
На интервале 150-400 пс происходило течение в деформируемом образце. Структурно-энергетические превращения наблюдались только в области шейки. Запасенная энергия деформации изменялась не более чем на 0,1 эВ/атом.
Рисунок 3.8 представляет поученные в компъютерном эксперименте результаты, определяющие положения по длине образца мест разрушения в зависимости от их длин. Положение разрушения зависит от размеров наноблоков. Поверхностные атомы играют важную роль в механическом поведении наноструктур, и при малых размерах образцов их влияние называется поверхностным эффектом. Результаты показали, что положения разрушения наноблоков, подвергнутых одноосной деформации растяжения зависят от длины наноблоков.
В результате проведенных исследований можно сделать следующее заключение. При относительно малых длинах образцов положение разрушения оказывается приблизительно в центре образца (Рисунок 3.9). С увеличенем размера образца начинает смещаться относительно центра образца место возможного разрушения в сторону одного из захватов. Смещения подчиняются законам статистики (Рисунок 3.9).
Атомная структура наноблоков Ni различных размеров на момент разрушения кристалла при Т = 1000К. С увеличением объема образца положение по их длинам места разрушения смещается от центра в сторону одного из захватов. Провидимому для малых образцов оказывается важным влияние поверхностных атомов, их доля уменьшается с ростом размера образца.
Итак, кратко можно отметить следующую закономерность: с ростом размера образца характер разрушения образующихся частей нановолокон соответствует хрупкому разрушению при температура 300 К. Как седует из таблиц и рисунков дительность первой и второй стадий растет с увеличением объема исследуемого нанообразца.
После завершения процесса разрыва частей наноблока в послених начинается процесс восстановления кристаллической структурыю Полное восстановление до идеального состояния не достигается, Даже отдельные атомные плоскости разделяются на подплоскости, как показано на рис 3.10 a. На рис. 3.10 б. показан рис. 3.10. Деформация 404040 наноблока Ni под напряжением 5- ой плоскости 101 в момент времени 600 пс (а) с кластерами, (б) гамма фотография. фотографический снимок 5-ой плоскости 101 в момент времени 600 пс. 3.3 Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения.
С целью проведения оценки влияния длин и поперечных сечений образцов на особенности разрушения при деформации одноосного растяжения была проведена серия экспериментов. Было обнаружено, что при относительно малых длинах образцов разрушение последних в процессе одноосного растяжения происходит только в одном месте, ближе к центру. На рис.3.11 показана атомная структура образцов Ni различных длин при одинаковом поперечном сечении на момент их разрушения при 300 К. В компьютерных экспериментах с образцами нановолокон, у которых длина была больше чем в пять раз поперечного сечения, наблюдались следующие особенности. В случае, например, когда длина нановолокна в восемь и более раз больше диаметра поперечного сечения (Рис 3.11), наблюдается зарождение двух участков разрушения вблизи каждого захвата.
Влияние длины образца на положение разрушения и время разрушения образцов сплава Ni3Fe
С целью проведения оценки влияния длин и поперечных сечений образцов на особенности разрушения при деформации одноосного растяжения была проведена серия экспериментов.
Наряду с проведенными компьютерными экспериментами и полученными результатами остался нерешенным ряд вопросов. Одним из них является выбор оптимальной длины и размера сечения образца. Для выбора оптимальной длины нановолокон была проведена серия тестовых компьютерных экспериментов для объектов с различным соотношением длины и площади поперечного сечения.
В компьютерных экспериментах с образцами нановолокон, у которых длина была больше чем в два раза сечения, наблюдались следующие особенности. Величина предела текучести зависела от размеров поперечного сечения образца. Длина модельного блока влияла на место зарождения очага деформации и длительность первой упругой стадии деформации. В случае, например, когда длина нановолокна в шесть раз больше диаметра поперечного сечения (рис. 4.7), наблюдается зарождение шести и более очагов деформации (указаны окружностями на рис. 4.7). Время развития стадии упругой деформации увеличивалось в шесть раз (рис. 4.8). Рис. 4.8. Пик запасенной энергии в нановолокне Ni3Fe10x10x90 атомаов при
Было обнаружено, что при относительно малых длинах образцов разрушение последних в процессе одноосного растяжения происходит только в одном месте, ближе к центру. На рис.4.9 показана атомная структура образцов Ni3Fe различных длин при одинаковом поперечном сечении на момент их разрушения при 300 К. В компьютерных экспериментах с образцами нановолокон, у которых длина была больше чем в пять раз поперечного сечения, наблюдались следующие особенности. В случае, например, когда длина нановолокна в восемь и более раз больше диаметра поперечного сечения (Рис 4.9), наблюдается зарождение двух участков разрушения вблизи каждого захвата. стадии пластической деформации не изменяется. С увеличением размеров поперечного сечения наблюдается схожая картина. Изменение размера поперечного сечения влияет на значение предела текучести материала. При увеличении размеров поперечного сечения, без увеличения длины образца, происходит увеличение предела текучести кратно увеличению сечения нановолокна.
Рисунок .4.10, показывает отношения между пределом текучести и сечением образцов, полученные при моделировании нановолокон при 300k. Предел текучести увеличивается с ростом сечения по параболическому закону (с определенной долей случайности). На рисунке приведена зависимость предела текучести от сечения для образцов Ni3Fe. рис.3.12. Отношения между пределом текучести и сечением для различных нановолокон образцов Ni3Fe при 300 K. 4.3. Влияние температуры эксперимента на характеристики деформации и разрушения нановолокна.
На примере образца размера 6 x 6x 12 и 6 x 6 x 24 выполнено исследование влияния темперагуры на процесс одноосного растяжения и его характеристики. Компьютерный эксперимент выполняется при температурах в интервале от 100 К до 1500 К. В таблице 4.3 приводятся полученные результаты по значениям времени начальной длины сторон(l0) , времени начала пластической деформации (tпл), длины стороны вначале пластической деформации (lz1), предела текучести (T), деформации при данном напряжении (T), времени начала разрушения образца (tр), длины стороны образца вначале разрушения (lр) и положения разрушения образца относительно захвата (lр) с температурой эксперимента. Как видно из приведенных в таблице результатов, предел текучести уменьшается с увеличением темтературы образцов. Значения напряжения на захватах находятся в коридоре значений от 9 до 22 Гпа для 6 x 6x 12 и от 8 до 21 Гпа для 6 x 6 x 24. Таблица 4.3. Результаты MD расчета характеристик нанообразца сплава Ni3Fe 6 x6
Общим для всех типов нановолокон при всех температурах является присутствие четырех стадий деформации: квазиупругой, пластической, течения и разрушения. Основными показателями, характеризующими процесс и стадийность одноосной деформации, являются графики кривой запасенной энергии и напряжения на жестких захватах (рис. 4.10).
Графики зависимости запасенной энергии деформации и напряжений на захватах от времени (рис. 4.11) построенные при температуре 800К схожи с графиками. При температуре 800К графики более размыты, что связано с большей амплитудой колебаний атомов.
Время окончания первой стадии, как и при всех температурах ( Таблици 4.3 и 4.4) , соответствует 15пс для Ni3Fe -6x6x12 и 25пс для Ni3Fe -6x6 x12. В начале первой стадии в результате проскальзывания частей нановолокна образовались субструктурные блоки, границы между которыми представляли собой дефекты упаковки.
Таким образом, при всех температурах на первой стадии деформации в нановолокнах накапливались точечные дефекты в виде вакансий и межузельных атомов. С повышением температуры количество точечных дефектов увеличивалось. В результате проскальзывания частей нановолокна образовывались субструктурные блоки, на границах блоков образовывались дефекты упаковки.
