Введение к работе
Актуальность проблемы. Диффузия играет важную роль во многих процессах, протекающих в металлах и сплавах. В металлических системах механизмы диффузии столь многообразны, сколь разнообразны дефекты структуры и варианты миграции атомов с их участием. По этой причине, как правило, отдельно рассматриваются само диффузия в кристаллах с участием точечных дефектов, диффузия по границам зерен, диффузия по границам фаз и взаимная диффузия, поверхностная диффузия, диффузия в условиях пластической деформации и т.д. Наиболее изученной считается самодиффузия в кристаллах. Однако и в этом случае в настоящее время еще остаются нерешенные вопросы. Известно, что диффузия в кристаллах осуществляется в основном по вакансионному механизму. С другой стороны для многих кристаллов металлов обнаружено отклонение от закона Ар-рениуса - энергия активации диффузии и предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса отличаются для области средних и высоких температур. Это в первую очередь говорит о существенном вкладе в самодиффузию второстепенных механизмов. Однако на данный момент нет достаточно обоснованной теории относительно этих механизмов, тем более нет информации о величине вклада таких механизмов в процесс общей диффузии. Следует заметить, что остаются также вопросы, касающиеся вакансионного механизма. Например, не вполне ясны механизмы, провоцирующие миграцию вакансии. На этот счет существуют различные взгляды: классический - с позиции статистики распределения кинетической энергии по атомам с учетом или без формы потенциальных ям вблизи вакансии, теория локального плавления вблизи дефектов, а также относительно молодой взгляд с позиции кооперативности движений атомов.
Решение подобных вопросов с помощью реальных экспериментов в настоящее время невозможно, поскольку для этого необходимы исследования динамики диффузионного процесса на атомном уровне. Реальные эксперименты позволяют изучать диффузию, как правило, по начальным и конечным состояниям структуры, что дает лишь косвенное представление о тех или иных механизмах диффузии. Математические модели также не годятся для подобных исследований, - в этом случае механизмы диффузии постулируются изначально, и, кроме того, математические модели, как правило, содержат ряд серьезных допущений.
Одним из решений этой проблемы является использование метода компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование появилось в физике твердого тела в конце пятидесятых годов XX в. Помимо прочего, оно позволяет исследовать на атомном уровне динамику как быстропроте-кающих, так и длительных по времени процессов. 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 методом компьютерного моделирования самодиффузии в металлах на атомном уровне.
Целью работы является изучение на атомном уровне особенностей самодиффузии в двумерных металлах с помощью метода молекулярной динамики.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые методом молекулярной динамики изучены вклады различных механизмов в общий процесс самодиффузии в двумерных металлах в зависимости от температуры и основных свойств металла (параметра решетки, модуля всестороннего сжатия, энергии сублимации и массы атома). Обнаружен механизм самодиффузии, вносящий существенный вклад наряду с вакансионным и заключающийся в образовании и последующей рекомбинации пар Френкеля. Обнаружено явление динамических коллективных атомных смещений, играющих важную роль в реализации ведущих механизмов самодиффузии в двумерных кристаллах металлов.
Научная и практическая ценность работы диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для развития теории диффузии и процессов с ней связанных, для создания математических моделей диффузионных процессов, учитывающих вклад обнаруженных в настоящей работе механизмов диффузии. Кроме того, результаты компьютерного моделирования могут быть использованы в качестве демонстрационного материала для студентов физических специальностей, на их базе возможно создание работ для лабораторного практикума.
На защиту выносятся следующие положения:
Важная роль динамических коллективных атомных смещений в реализации основных механизмов самодиффузии.
Наряду с вакансионным механизмом, обнаружен вклад, механизма, заключающегося в образовании и последующей рекомбинации пар Френкеля.
Выявлено влияние на характеристики само диффузии и вклад второстепенных диффузионных механизмов в двумерных металлах температуры и свойств металла (параметра решетки, модуля всестороннего сжатия, энергии сублимации и массы атома).
Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и российских конференциях:
VI международная школа-семинар "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Компьютерное моделирование", Барнаул (2001); VI Inter. School-Seminar "Defect Structures Evolution in Condensed Matters. Computer Simulation", Barnaul (2001); VII международная школа-семинар
"Эволюция дефектных структур в конденсированных средах Компьютерное моделирование", Барнаул, (2003), Международный симпозиум ODPO-2003 "Порядок, беспорядок и свойства оксидов", Сочи (2003), International Conference "Frontiers of Surface and Interface Science and Engineering 2003" (FSISE 2003), Guangzhou , China (2003), European Materials Research Society (E-MRS) Spring Mitmg 2003, Strasbourg, France(2003), China-Russia Seminar on Materials Physics Under Ultra-conditions 2003, Yanshan University, Qin-huangdao, China, (2003), 4th International Conference on Materials Structure and Micromechanics of Fracture (MSMF-4), Brno, Czech Republic (2004), 7th International Conference on Advanced Surface Engineering (ASE 2004) and the 2nd International Conference on Surface and Interface Science and Engineering (SISE 2004), Guangzhou, China (2004), 2th International Conference on Multis-cale Materials Modeling (MMM-II), Los-Angeles, USA (2004), 2004 MRS Fall Meeting, Boston, USA(2004), XLIII международная конференция "Актуальные проблемы прочности', Витебск, Беларусь(2004), 8-я международная конференция "Физика твердого тела", Алматы, Казахстан (2004), XLII международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Калуга (2004), VI международная научно-практическая конференция «Проблемы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производства», Барнаул(2004)
Публикации. Результаты работы опубликованы в 4 статьях в центральных и зарубежных изданиях и 18 тезисах докладов
Структура и объемработы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 122 наименований Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц и 43 рисунка
На всех этапах работы руководство осуществлялось к ф -м н , докторантом Полетаевым Г М
