Введение к работе
Успешное решение задач, стоящих перед современным материаловедением, во многом зависит от глубокого понимания процессов, происходящих в твердом теле при различных физико-химических воздействиях. В этой связи все большее значение.приобретают теоретические модели, предсказывающие формирование и эволюцию дефектной микроструктуры материалов в зависимости от характера воздействия. Центральным пунктом любой подобной модели являются представления о точечных дефектах и механизмах диффузии. В настоящее время собран обширный экспериментальный материал по коэффициентам диффузии и характеристикам точечных дефектов в металлах и сплавах. Кроме того, установлено большое число эмпирических корреляций между параметрами диффузии и величинами, характеризующими термодинамические свойства систем. К сожалению, многочисленные попытки создания общей теории диффузии не увенг чались пока успехом. В то же время, интерпретация диффузионных экспериментов обычно проводится в рамках достаточно упрощенных моделей точечных дефектов, что в ряде случаев приводит к неоднозначной трактовке результатов и появлению "аномалий", т.е. явлений, неукладывающихся в установленные закономерности.
Трудности, связанные с аналитическими исследованиями с одной стороны, и интенсивное развитие вычислительной техники с другой стороны, привели к тому, что в теоретическом материаловедении все шире используются ;методы компьютерного, моделирования. Моделирование ("вычислительный эксперимент"), основываясь на существующих теоретических представлениях, позволяет провести численные расчеты достаточно сложных модельных систем в жестко контролируемых условиях. В первую очередь это относится к исследованию, на атомарном уровне структуры, свойств и взаимодействия дефектов. Однако, использование этих методов при решении ряда актуальных задач сдерживается отсутствием подходящих потенциалов межатомного взаимодействия. При этом основные проблемы возникают при описании взаимодействий в' переходных металлах, имеющих особое фундаментальное и практическое значение.
Таким образом, существует необходимость дальнейшего развития теоретических представлений о точечных дефектах и механизмах диффузионных процессов в переходных металлах в рамках компьютерного моделирования на основе наиболее реалистичных моделей межатомного взаимодействия-
Цель диссертационной работы состояла в разработке теоретических моделей точечных дефектов и дидфузиокных процессов в переходных металлах с помощью методов" компьютерного моделирования с использованием потенциалов межатомного взаимодействия, полученных в рамках обобщенной теории псевдопотенциала. При этом основное внимание уделялось выяснению связи меаду особенностями термодинамических свойств - и процессами самодиффузин в ОЦК фазах переходных металлах.
Научная новизна. В настоящей работе впервые:
-
Разработана и апробирована модель межатомных взаимодействий на основе обобщенной - теории псевдопотенциала для компьютерного моделирования дефектов в переходных металлах.'
-
Проведено комплексное исследование механизмов миграции точечных дефектов в ГПУ фазе циркония в райках компьютерного моделирования с использованием потенциалов, полученных в теории псевдопотенциала. Получены результаты, показывающие существенную анизотропию миграции дивакансий и междоузельных атомов.
-
Проведено моделирование' когерентных преципитатов меди в ОЦК железе с корректным учетом особенностей межатомного взаимо-денстия. Получены энергетические ii дилатационные характеристики преципитатов, согласующиеся с экспериментальными оценками.
-
Представлен сравнительный анализ термодинамических свойств, и в частности, колебательных спектров в квазигармоническом и молекулярно-динамическом приближениях, в ОЦК фазах железа и циркония. Обнаружено, что в цирконии в отличие от других мод, фонон Т, 1/2(110) демонстрирует "аномальный" рост частоты с температурой, совпадающий с экспериментальной зависимостью. Исследована динамика мартенситного фазового перехода ОЦК-ПТУ в цирконии и получено значение температуры фазового' перехода, хорошо согласующееся с экспериментальной величиной. '
. 5) Проведено моделирование миграции вакансии в' ОЦК фазах железа и циркония. Получены температурные зависимости частоты скачков вакансии и коэффициента самодиффузии, отражающие характерные особенности экспериментальных графиков Аррениуса. Пред-г ложен механизм миграции вакансии,учитывающий "аномальные" свойства фонона 1^1/2(110). Разработана обобщенная модель "фононно-стимулпрованной" миграции вакансии для описания диффузионных процессов в ОЦК металлах.
Автор выносит па защиту следующие основные положения:
модель- переходного металла но основе обобщенной теории псездопотенциала и потенциалы межатомного взаимодействия для Zr, Сг, Fe, Ш и Си, построенные б рамках этой подели;
результаты исследования анизотропии миграции точечных дефектов в ГПУ фазе циркония; .
результаты исследования когерентных преципнтатоз меди в ОЦК фазе железа;
результаты расчетов термодинамических свойств ОЦК фаз циркония и железа в квазигармоническом приближении и методом молекулярной динамики;
результаты моделирования динамики фазового перехода ОЦК-ГПУ в цирконии; '
результаты моделирования миграции вакансии в ОЦК фазах циркония и железа;
модель "фононко-стнмулированной" самодиффузии в ОЦК металлах;
механизм самодпффузип в ОЦК фазах "аномальных" металлов.
Научная и практическая ценность диссертации. Разработанная модель межатомных-взаимодействий на основе обобщенной теории псевдоистенцнала позволяет построить наиболее реалистичные потенциалы для компьютерного моделирования дефектов в_переходных металлах. Результаты исследований миграции точечных дефектов в ГПУ цирконии могут быть использованы при построении кинетических моделей радиационного роста в -анизотропных материалах. Результаты исследований преципитатов меди в ОЦК железе могут быть положены в основу моделей охрупчивания корпусных сталей. Обнаруженный - механизм миграции вакансии в ОЦК фазе циркония дает новую трактовку связи между термодинамическими свойствами и диффузионными процессами, а разработанная на его основе модель "фононно-стимулированкой" самоднффузин может быть применена для интерпретации ' диффузионных экспериментов и количественного определения характеристик точечных дефектов во всех ОЦК металлах.
Апробация.- Основные результаты исследований докладывались на 29 семинаре по моделированию на ЭВМ радиационных и других дефектов в кристаллах (Алма-Ата, І939), на международной конференции "Диффузия и дефекты в металлах DD-91"(Москва-Пермь, 1991), на второй международной конференции "Радиационное воздействие їіа материалы термоядерных реакторов" (Санкт-Петербург, 1992).
>
По теме диссертации опубликовано 7 основных работ. , . "'',.;: Диссертация состоит из введения,' пяти глав, заключения и..
списка литературы. Общий объем составляет 132 страницы,' включая ;
37 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 138 наименований.'
