Взаимодействие специальных границ зерен наклона с точечными дефектами в ГЦК - металлах и упорядоченных сплавах Грахов, Евгений Леонидович

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Большинство кристаллических материалов имеют поликристаллическую структуру, неотъемлемой частью которой являются границы зерен (ГЗ). Структура и свойства ГЗ активно изучаются в последнее время. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что ГЗ играют важную роль в формировании таких характеристик материалов, как прочность, пластичность, хрупкость, ползучесть. Характер влияния ГЗ на физико-механические свойства материалов определяется атомной структурой границ. В формировании атомной структуры ГЗ играют активную роль точечные дефекты. ГЗ активно влияют на следующие процессы, происходящие в материалах: рекристаллизация, диффузия, сегрегация примесей, проскальзывание, коррозия, возникновение трещин и разрушение. Механизмы участия ГЗ в перечисленных процессах характеризуются активным взаимодействием ГЗ с точечными дефектами. Известно, что ГЗ являются регулятором равновесной концентрации вакансий, испуская, либо поглощая вакансии в зависимости от состояния материала. Таким образом, параметры многих процессов, основную роль в протекании которых играют вакансии (фазовые превращения, диффузия и др.), напрямую зависят от эффективности ГЗ как источников и стоков вакансий. Кроме того, ГЗ являются стоками и других точечных дефектов, присутствие которых в кристаллической решетке оказывает сильное влияние на все физико-механические свойства материала.

Существующие результаты теоретических и экспериментальных исследований пока не позволяют создать общепринятых представлений относительно тонкой атомной структуры ГЗ и механизмов ее влияния на физико-механические свойства материалов. Таким образом, дальнейшие исследования структуры ГЗ на атомном уровне и роли точечных дефектов в формировании атомной структуры границ по прежнему актуальны.

Целью работы является исследование методом компьютерного моделирования атомной структуры и энергии специальных границ зерен наклона и их взаимодействия с точечными дефектами в ГЦК металлах А1 и Ni и упорядоченном сплаве Ni₃Al.

В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработка методики расчета стабильных и метастабильных состояний ГЗ с учетом трансляции зерен и изменения количества атомов в ядре ГЗ.

2. Разработка методики расчета энергии взаимодействия ГЗ с точечными дефектами.

3. Исследование энергетических и структурных характеристик процесса взаимодействия ГЗ с точечными дефектами.

4. Определение вариантов перестройки и механизмов участия вакансий в перестройках атомной структуры ГЗ.

Научная новизна.

1. Предложен механизм поглощения и эмиссии вакансий границей зерна, осуществляющийся в два этапа: адсорбция (десорбция) и делока-лнзация (локализация).

2. Показано, что в отличие от других плоских дефектов (ДУ, АФГ, двойники) специальные ГЗ наклона имеют непланарігую структуру ядра.

3. Показано, что энергия взаимодействия вакансий со специальными ГЗ наклона зависит как от расстояния до дефекта, так и от положения относительно совпадающих узлов.

Практическая и научная ценность настоящей работы заключаются в том, что результаты расчетов могут быть использованы для исследования зернограничных процессов, проходящих с участием точечных дефектов. Полученные характеристики, такие как концентрация вакансий и атомов примеси, напряжения вблизи ГЗ, могут использоваться при исследовании таких процессов, как сегрегация, диффузия, рекристаллизация, фазовые переходы и др. Полученные с помощью компьютерного моделирования атомная структура ГЗ и варианты перестроек ядра ГЗ могут применяться для анализа электронно-микроскопических изображений высокого разрешения. Рассчитанные энергетические характеристики ГЗ, перестроек ядра ГЗ и взаимодействия ГЗ с точечными дефектами могут использоваться при исследовании процессов зернограничного проскальзывания, ползучести, сверхпластичности, взаимодействия ГЗ с дислокациями.

Защищаемые положения;

4. Методика компьютерного моделирования атомной структуры и энергии специальных ГЗ наклона и их взаимодействия с точечными дефектами.

5. Результаты моделирования атомных смещений, показывающие непланарігую структуру ядра специальных ГЗ наклона.

6. Закономерности взаимодействия точечных дефектов со специальными ГЗ наклона.

7. Результаты расчетов, показывающие, что специальные ГЗ наклона имеют несколько устойчивых состояний. Перестройка ГЗ из одного состояния в другое сопровождается поглощением или испусканием вакансий.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных и российских конференциях: ASI NATO Nanoctructured materials: Science and technology, Санкт-Петербург (1997); V международной конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии", Новокузнецк (1997); International Conference on Advanced Materials (E-MRS97 Spring Meeting), Страсбург, Франция (1997); the 4¹'¹ IUMRS Internationa! Conference in Asia (MRS-J97), Чиба, Япония (1997); XIV уральской школе "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов", Ижевск (1998); MRS Spring Meeting 98, Сан-Франциско, США, (1998); третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике ИНПРИМ-98, Новосибирск (1998); the 9^th International Conference Intergranular and Interphase Boundaries in Materials, Прага, Чехия (1998); IV международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул (1998); the 5^Ih IUMRS International Conference in Asia, Бангалор, Индия (1998); второй конференции "Материалы Сибири", Барнаул, (1998); the 5^th IUMRS International Conference on Advanced Materials, Пекин, Китай, (1999); VI международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения", Новокузнецк, (1999).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ, из них 8 статей в журналах.

Шмм.рабсггы: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 146 наименований.