Моделирование границ зерен: роль потенциала межатомного взаимодействия

А.В. Векман, Б.Ф. Демьянов, А.С. Драгунов

Аннотация


В обзоре проведено сравнение результатов моделирования атомных структур различного уровня сложности с использованием парного потенциала Морзе и многочастичного потенциала Клери — Розато. Параметры потенциальных функций соответствовали алюминию. Выполнен расчет энергии идеального кристалла, структуры и энергии образования вакансии и специальной границы зерен (ГЗ) ∑5 (013), а также проведено моделирование процесса зернограничной самодиффузии. Сравнительный анализ показал, что парные потенциалы в молекулярно-динамическом эксперименте дают качественно такие же результаты, как и многочастичные потенциалы. Энергии идеального кристалла, рассчитанные с учетом трех координационных сфер, совпадают. Позиции атомов в области вакансии различаются на величину, не превышающую 0,1 Å. Структура границы зерен не зависит от выбора потенциала: позиции атомов различаются не более чем на 0,1 Å, что составляет 2,5% от параметра решетки. Атомная структура хорошо совпадает с экспериментальными изображениями ГЗ. Моделирование процесса самодиффузии по ГЗ проведено в интервале температур от 600 К до температуры плавления. Аррениусовы зависимости имеют по два линейных участка, изменение наклона которых свидетельствует о смене механизма самодиффузии. Получены близкие значения температуры, при которой происходит смена механизмов диффузии при использовании разных потенциалов взаимодействия. Энергии активации самодиффузии имеют близкие значения.

DOI 10.14258/izvasu(2018)1-01


Ключевые слова


компьютерное моделирование; потенциал взаимодействия; граница зерен; молекулярная статика; молекулярная динамика

Полный текст:

PDF

Литература


Jones J.E. On the Determination of Molecular Fields II. From the equation of state of a gas // Proc. Roy. Soc. Lond. Series A. — 1924. — V. 106, N738.

Born M., Mayer J.E. Zur Gittertheorie der Ionenkristalle // Zeitschrift für Physik. — 1932. — V. 75, N1–2.

Morse P.M. Diatomic molecules according to the wave mechanics. II. Vibrational levels // Phys. Rev. — 1929. — V. 34, N1.

Finnis M.W., Sinclair J.E. A simple empirical N-body potential for transition metals // Phil. Mag. A. — 1984. — V. 50, N1.

Rafii-Tabar H., Sulton A.P. Long-range Finnis-Sinclair potentials for f.c.c. metallic alloys // Phil. Mag. Lett. — 1991. — V. 63, N4.

Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atommethod functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Phys. Rev. B. — 1986. — V. 33, N12.

Pasianot R., Farkas D., Savino E.J. Empirical manybody interatomic potential for bcc transition metals // Phys. Rev. B. — 1991. — V. 43, N9.

Hofmann D., Finnis M.W. Theoretical and experimental analysis of near Σ=3(211) boundaries in silver // Acta Met. — 1994. — V. 42, N10.

Bacia M., Morillo J., Penisson J.M., Pontikis V. Atomic structure of the S=5(210) and (310), [001] tilt axis grain boundaries in Mo: a joint study by computer simulation and high-resolution electron microscopy // Phil. Mag. — 1997. — V. 76, N5.

Tschopp M.A., Mcdowell D.L. Structures and energies of S3 asymmetric tilt grain boundaries in copper and aluminium // Phil. Mag. — 2007. — V. 87, N22.

Mishin Y., Asta M., Li J. Atomistic modeling of interfaces and their impact on microstructure and properties // Acta Mater. — 2010. — V. 58, N4.

Gautam A., Ophus C., Lancon F., Radmilovic V., Dahmen U. Atomic structure characterization of an incommensurate grain boundary // Acta Mater. — 2013. — V. 61, N13.

Homer E.R., Foiles S.M., Holm E.A., Olmsted D.L. Phenomenology of shear-coupled grain boundary motion in symmetric tilt and general grain boundaries // Acta Mater. — 2013. — V. 61, N4.

Frolov T., Asta M., Mishin Y. Segregation-induced phase transformations in grain boundaries // Phys. Rev. B. — 2015. — V. 92, N2.

Бачурин Д.В., Мурзаев Р.Т., Назаров А.А. Атомное компьютерное и дисклинационное моделирование границ наклона [001] в никеле и меди // Физика металлов и металловедение (ФММ). — 2003. — Т. 96, №6.

Бачурин Д.В., Назаров А.А. Влияние относительного сдвига под действием внешнего напряжения на структуру и энергию границы наклона Σ=5(210) )[001] в никеле // ФММ. — 2004. — Т. 98, №1.

Мурзаев Р.Т., Назаров А.А. Энергия образования вакансий в границах наклона [001] в никеле: компьютерное моделирование // ФММ. — 2005. — Т. 100, №3.

Мурзаев Р.Т., Назаров А.А. Энергия активации миграции вакансии в границах наклона [001] в никеле // ФММ. — 2006. — Т. 101, №1.

Wolf D. Structure-energy correlation for grain boundaries in fcc metals. I. Boundaries on the (111) and (100) planes // Acta Met. — 1989. — V. 37, N7.

Wolf D. Structure-energy correlation for grain boundaries in fcc metals. III. Symmetrical tilt boundaries // Acta Met. — 1990. — V. 38, N5.

Wolf D. Correlation between the energy and structure of grain boundaries in bcc metals. I. Symmetrical boundaries on the (110) and (100) planes // Phil. Mag. B. — 1989. — V. 59, N6.

Wolf D. Correlation between the energy and structure of grain boundaries in bcc metals. II. Symmetrical tilt boundaries // Phil. Mag. A. — 1990. — V. 62, N4.

Wolf D. Structure-energy correlation for grain boundaries in fcc metals. IV. Asymmetrical twist (general) boundaries // Acta Met. — 1990. — V. 38, N5.

Wolf D. A broken-bond model for grain boundaries in face-centred cubic metals // J. Appl. Phys. — 1990. — V. 68, N7.

Wolf D. Structure and energy of general grain boundaries in bcc metals // J. Appl. Phys. — 1991. — V. 69, N1.

MacLaren J.M., Crampin S., Vvedensky D.D., Eberhart M.E. Mechanical stability and charge densities near stacking faults // Phys. Rev. Lett. — 1989. — V. 63, N23.

Chen S.P., Srolovitz D.J., Voter A.F. Computer simulation on surfaces and [001] symmetric tilt grain boundaries in Ni, Al and Ni3Al // J. Mater Res. — 1989. — V. 4, N1.

Farkas D., Savino E.J., Chidambaram P. Oscillatory relaxations in (111) planar defects in Ni3Al // Phil. Mag. A. — 1989. — V. 60, N4.

Носкова Н.И. Дефекты и деформация монокристаллов. — Екатеринбург, 1995.

Wright A.F., Atlas S.R. Density-functional calculations for grain boundaries in aluminum // Phys. Rev. B. — 1994. —V. 50, N2.

Харина Е.Г., Старостенков М.Д., Полетаев Г.М., Ракитин Р.Ю. Энергия активации самодиффузии по симметричным границам зерен наклона <111> в интерметаллиде Ni3Al // ФТТ. — 2011. — Т. 53, №5.

Holian B.L., Ravelo R. Fracture simulations using largescale molecular dynamics // Phys. Rev.B. — 1995. — V. 51, N17.

Драгунов А.С., Векман А.В., Демьянов Б.Ф. Теоретическая модель границ зерен наклона общего и специального типа для ГЦК кристаллов // Ползуновский альманах. — 2011. — № 4.

Векман А.В., Драгунов А.С., Демьянов Б.Ф., Адарич Н.В. Энергетический спектр границ зерен наклона в меди // Известия вузов. Физика. — 2012. — Т. 55, №7.

Векман А.В., Демьянов Б.Ф., Старостенков М.Д. Ориентационная зависимость энергии границ зерен в металлах с объемноцентрированной кубической решеткой // Известия вузов. Черная металлургия. — 2001. — №2.

Драгунов А.С., Демьянов Б.Ф., Векман А.В. Энергия симметричных границ зерен наклона в алюминии // Ползуновский альманах. — 2009. — Т. 2, №3.

Козлов Э.В., Попов Л.Е., Старостенков М.Д. Расчет потенциалов Морзе для твердого золота // Известия вузов. Физика. — 1972. — №3.

Царегородцев А.И., Горлов Н.В., Демьянов Б.Ф., Старостенков М.Д.. Атомная структура антифазной границы и ее влияние на состояние решетки вблизи дислокации в упорядоченных сплавах со сверхструктурой L12 // ФММ. — 1984 — Т. 58, №2.

Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Phys. Rev. B. — 1993. — V. 48, N1.

Cosandey F., Chan S.-W., Stadelmann P. HREM studies of [001] tilt grain boundaries in gold // Colloque De Physique. Colloque Cl. — 1990. — V. 51, N1.

Merkle K. L., Smith D.J. Atomic structure of symmetric tilt grain boundaries in NiO // Phys. Rev. Lett. — 1987. — V. 59, N25.

Shamsuzzoha M., Vazquer I., Deymier P.A., Smith D.J. The atomic structure of a Σ=5[001]/(310) grain boundary in an Al-5% Mg alloy by high-resolution electron microscopy // Interface Science. — 1996. — V. 3, N3.

Lee S.B., Lee J.-H., Cho Y.-H., Kim D.-Y., Sigle W., Phillipp F; van Aken P.A. Grain-boundary plane orientation dependence of electrical barriers at S5 boundaries in SrTiO3 // Acta Mater. — 2008. V. 56, N18.

Frolov T., Olmsted D.L., Asta M., Mishin Y. Structural phase transformations in metallic grain boundaries // Nature Communications. — 2013. — N4.

Budke E., Surholt T., Prokofjev S.I., Shvindlerman L.S., Herzig Chr. Tracer diffusion of Au and Cu in a series of near Σ=5(310)[001] symmetrical Cu tilt grain boundaries // Acta Mater. — 1999. — V. 47, N2.

Divinski S.V. , Edelhoff H., Prokofjev S. Diffusion and segregation of silver in copper S5(310) grain boundary // Phys. Rev. B. — 2012. — V. 85, N14.

Siegel R.W. Vacancy concentrations in metals // J. Nucl. Mater. — 1978. — V. 69–70.

Balluffi R.W. Vacancy defect mobilities and binding energies obtained from annealing studies // J. Nucl. Mater. — 1978. — V. 69–70

McKee B.T.A., Triftshäuser W., Stewart A.T. Vacancyformation energies in metals from positron annihilation // Phys. Rev. Lett. — 1972. — V. 28, N6.

Бокштейн Б.С. Атомы блуждают по кристаллу / под ред. Л.Г. Асламазова. — М., 1984.




DOI: http://dx.doi.org/10.14258/izvasu(2018)1-01

Метрики статей

Загрузка метрик ...

Metrics powered by PLOS ALM

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


(c) 2018 А.В. Векман, Б.Ф. Демьянов, А.С. Драгунов

Архив журнала с 1996 по 2016 гг. расположен на старой версии сайта по адресу: http://izvestia.asu.ru/ru/

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

ISSN 1561-9443; ISSN (Online) 1561-9451