Исследование особенностей деформации и разрушения нановолокон металлов и сплавов в зависимости от их формы и размеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

На правах рукописи

---

Айш Мохаммед Махмуд Мохаммед

Исследование особенностей деформации разрушения нановолокон металлов и сплавов в зависимости от их формы и размеров

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул - 2014

005553185

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор, Старостенков Михаил Дмитриевич. Официальные оппоненты: Дмитриев Сергей Владимирович, доктор физико-

Ведушая организация: Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск

Защита состоится « 26 » июня 2014 г. в 13.00часов на заседании диссертационнс совета Д 212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете i И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46., е-ш; Veronika 65@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Алтайсю 'государственного технического университета им. И.И. Ползунова. http://www.altstu.ru/stnicture/unit/odia/scienceevent/2001 Автореферат разослан «_»2014 г.

математических наук, ФГБУН «Институт проблем сверхпластичности металлов РАН», зав. лабораторией «Нелинейные явления и дефектные структуры в кристаллах»

Рудер Давыд Давыдович, кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет», доцент кафедры прикладной физики, электроники и информационной безопасности.

Романенко В.В.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 является 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 при различных температурах и наличии различных типов дефектов и несовершенств и начинают зависеть от формы частиц и их размеров.

Известно, что структурно-энергетические превращения в процессе деформации имеют свою стадийность. Каждая стадия отличается типом образующихся дефектов и характером взаимодействия между ними.

Представленное с привлечением метода молекулярной динамик исследование структурно-энергетических превращений в нановолокнах чистых ГЦК металлов N1 и сплава №зРе в зависимости от их конфигурации, формы и размеров, в процессе высокоскоростной деформации одноосного растяжения при различных температурах является актуальным.

Представленная работа выполнялась частично в соответствии с грантами РФФИ № 14-08-90416-Укр_а и программой Министерства образования РФ № 166.

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 нановолокнах N1 и сплава №3Ре.

2- Детальное рассмотрение и математическое описание влияния формы, размера, температуры и концентрации вакансий на механические свойства нановолокон № и сплава №зРе.

3- показать 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 № и №)Ре 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, и простых парных потенциалов типа Морза.

2. Распределение четырех стадий деформации нановолокон: квазиупругой, пластической, течения, разрушения по интенсивности и протяженности в зависимости от концентрации вакансий, формы и размеров образцов.

3. Температура эксперимента, изменения, характер структурно-энергетических превращений на всех этапах деформации. С ростом температуры изменяется деятельность всех стадии деформации нановолокон.

4. Наличие вакансий влияет на характер структурно-энергетических превращений на всех этапах деформации. Концентрации вакансий меняют значения всех физических параметров деформации,таких как предел текучести, время завершения стадии деформации.

Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и российских конференциях и симпозиумах: всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь - 2013» (АлтГТУ 25 - 30 апреля 2013), IV международной научно-практической 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) INTERNATIONALCONFERENCE «Hierarchically built systems of organic and inorganic nature» (Tomsk Russia September 9-13, 2013), European Materials Research. Society (E-MRS) FALLMEETING (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 механика деформирования и разрушения твердых тел - научное наследие Ю.Н. Работнова»(Москва, 24-26 февраля 2014, Институт машиноведения -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, полученных в настоящей работе и списка литературы. Объем диссертации составляет 147 страниц, представлено70 рисунков и 18 таблиц. Список литературы содержит 176 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, описаны научная новизна, научная и практическая ценность, основные защищаемые положения. Дается краткое содержание работы по главам.

Первая глава посвящена обзору современных теоретических и экспериментальных сведений о наноматериалах: описаны виды наноматериалов, их свойства и использование; представлены экспериментальные и теоретические способы исследования наноматериалов. Дан исторический обзор метода молекулярной динамики (МД), приведены основные задачи, решаемые с помощью МД, при исследовании свойств материалов. Перечислены потенциалы межатомного взаимодействия, применяемые в методе молекулярной динамики. В конце первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе содержится описание применяемых методик и моделей при исследовании нановолокон, методы компьютерного моделирования, изложены методики определения параметров для многочастичных потенциалов Клери-Розато и парных потенциальных функций Морзе, применительно к чистому № и интерметаллиду №3Ре со сверхструктурой Ь12.

Для расчета взаимодействия между атомами выбраны парные потенциальные функции Морза:

Мг< - 4 = А^А^"""1'"'1 - г) ' (!)

где <рк1,- потенциал межатомного взаимодействия атомов сорта К и Л, г,- и -радиус-векторы атомов ; и у, соответственно, Окь ак]_, Дх — параметры потенциала межатомного взаимодействия между атомами сорта К и Ь, которые были заимствованы из работы.

Часть исследований было проведено с использованием потенциалов сильной связи, предложенных Кпери - Розато. Потенциалы, предложенные Клери -Розато, хорошо проявили себя в серий исследований. В методе погруженного атома (МПА), формально, энергия связи атома \ в кристалле с N количеством атомов является суммой взаимодействий парных потенциальных имногочастичних взаимодействий.

В нашей модели потенциальная энергия системы рассчитывалась из соотношения

где,

СЗ]

является парной частичной составляющей энергии,

3

V ¡*>

гп

о

(5)

(4)

характеризует много частичный вклад.

В уравнениях (3) - (5) г0 - равновесное расстояние между атомами ¡-м и .¡-м; А, Р> Ч - регулируемые параметры, определяющие взаимодействие между этими атомами.

При моделировании деформации в исследуемых на новолокнах производилось периодически повторяющееся поступательное смещение атомов относительно захватов вдоль оси растяжения нановолокна в противоположных направлениях друг от друга. Захваты смещались на 0,001 нм через каждые 0,1 пс. Суммарная скорость движения захватов составляла 20 м/с и соответствовала скорости деформации от 2,29-10 до 3,39-10 с' в зависимости от длины исследуемого нановолокна. Такой порядок скоростей встречается в работах по моделированию деформации растяжения/сжатия. Температура в компьютерном эксперименте устанавливалась равной 10К, 300 К или близкой к температуре плавления соответствующего материала. В начале компьютерного эксперимента температура задавалась через скорости движения атомов, модули которых вычислялись по формуле (6):

где кь - постоянная Больцмана, Т0 - заданная температура, ш-, - масса атома /.

При деформации нановолокна производилось термостатирование временем реакции термостата /,.=0,/несогласно алгоритма Берендсена. Структурная перестройка атомов внутри расчетного блока кристалла была реализована методом молекулярной динамики черй решение системы обыкновенных дифференциальных уравнений движения Ньютона, описывающих движение частиц.

Моделирование смещения атомов на захватах было проведено с учетом отношения Пуассона для упругого тела. Изменение конфигурации захватов заключалась в том, что на стадии упругой деформации захваты сжимались в

.(6)

направлении, перпендикулярном оси растяжения (поперечном), с условием чтобы общии объем захватов не изменялся (рис. 2.11). Согласно отношению Пуассона, в процессе высокоскоростной одноосной деформации растяжения' нановолокон, происходило сжатие захватов на всей стадии упругой деформации с условием, чтобы общий объем нановолокна не изменялся. Общая скорость движения захватов составляла 20 м/с.

Рис. 1. Схема моделирования жестких захватов с учетом отношения Пуассона.

Приведены формулы расчета исследуемых параметров и физических величин определяющих уравнения, в параметрах напряжение - деформация Дано обоснование выбора применяемых в работе потенциалов межатомного взаимодействия. В конце второй главы дано описание визуализаторов применяемых в работе. '

В третьей главе приводятся результаты исследования структурно-энергетических превращений в нановолокнах чистых ГЦК металлов № Для проведения трехмерного молекулярного динамического моделирования был использован межатомный парный потенциал Морзе при исследовании деформации нановолокон № во время процесса одноосного растяжения. Инициализируется блок в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в виде квадрата в .плоскости {001}, высота соответствует направлению <001>. К расчетному блоку

KinnTaJInm ««"я свободные граничные условия в направлениях <100>,<010> и жесткие в направлении <001>. Сделана попытка оценить возможное влияние различных форм, размера нановолокна, температуры, концентрации вакансии на особенности структурно-энергетических превращений Характер деформации, скольжения, двойникования и образования шейки были изучены

В качестве объектов исследования было взято семь разных по длине нановолокон Ni одного сечения. Компьютерные эксперименты выполнялись при температуре, соответствующей 300 К.

Анализ графиков на рис.2 показал, что средние значения длительности первой стадии деформации для наноблоков, длиной 24, 36. 72 и 96 составляют 40 50, 90 и 120 Пс, соответственно. Длительность стадии пластической деформации равна 200, 250, 360, 150 Пс соответственно.

Значение запасенной энергии на пике графика деформации в конце первой стадии для приведенных наноблоков составляет 0,075, 0,085 0 06 и 0 06 эВ/атом соответственно. Уровень запасенной энергии в конце стадии пластической деформации для. исследуемых наноблоков равен 0,12, 0,085, 0,095 и 0 02 эВ/атом соответственно.

Рис. 2. Зависимость запасенной энергии деформации от времени

эксперимента при температуре 300 К для образцов N1 длиной 24(а), 36(6), 72(в), и 96(г) атомных рядов.

Врем «. п с

Рисунок 3 представляет отношение между напряжением и деформацией для наноблоков N1, в четырех размерах: 24х 24 х 24, 24х 24 х 36 24х24х 72 и 24х 24 х 96.(Размеры наноблоков указаны в атомных рядах)

25-,

Рис. 3. Отношения между напряжением и деформацией для N1 нановолокон при температуре ЗООК образцов длиной 24,36, 72 и 96 атомных рядов.

1 —»- 24x24x24

1 24x24x36

]---Лс- - 24x24x72

24x24x36

о.е о.б по е(% )

На следующем этапе эксперимента одноосному растяжению подвергались образцы кубической формы с длиной стороны, соответствующей атомным упаковкам 5,10, 20, 24, 30, 36, 40.

Результаты, приведенные в таблицах, коррелируют с графиками изменения запасенной энергии деформации образцов во времени эксперимента (рис. 4).

Значение запасенной энергии на пике графика деформации в конце первой стадии для образцов с длиной сторон 5, 20, 30 и 40 наноблоков составляет 0,17, 0,08, 0,05 и 0,03 эВ/атом, соответственно. Уровень запасенной энергии в конце стадии пластической деформации для исследуемых наноблоков составляет 0,6, 0,16, 0,13 и 0,1 эВ/атом, соответственно.

Рис. 4. Изменение запасенной энергии в

зависимости от времени растяжения. Эксперимент при 300К для 5 х 5 х 5(а) , 20х 20 х 20(6), ЗОхЗОхЗО(в) и 40 х 40 х 40(г), наноблоков N1.

Рис.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.

Рис. 5. Отношение между пределом текучести и длиной

для различных нановолокон N1 при различных температурах.

. и, Н м

В зоне пластической деформации происходит структурная перестройка исследуемых образцов. Картина структурных изменений, происходящая в образце 40 х 40 х. 40. показана на рис. 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.

' Рис. 6. Атомная структура для 40x40x40 нановолокон №. Деформации растяжения, скольжение, скольжение домена и двойникование 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

и

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 х 40 х 40 приведен на рисунке 7 (а, б), демонстрирует эволюцию во времени структуры образца на стадии течения.

Рис. 7. Атомная структура • 40x40x40 нановолокна № при деформации растяжения: скольжение, образование доменов и двойникование (а) в момент времени 400 пс, (б)

атомная структура 5-ой плоскости < 101 > в момент времени 400 пс.

После завершения процесса разрыва частей наноблока, в последних начинается восстановление кристаллической структуры. Полное восстановление до идеального

плоскости разделяются на показан «фотографический

Рис. 8. Деформации нановолокна № сечения в 40 атомов в 5-ой плоскости [101] в момент времени 600 пс.

При изменении сечений образцов происходит трансформация характеристик структурных перестроек в образцах, имеющая место во времени.

Анализ графиков на рис. 9 показал, что средние значения длительности первой стадии деформации для нанопленок, толщиной в пять плоскостей типа [100], сечений 10x10, 25x25, 50x50 и 70x70 составляют 9, 16, 18 и 21 Пс, соответственно. Длительность стадии пластической деформации равна 41, 34, 37, 41 Пс, соответственно.

Значение запасенной энергии на пике графика деформации в конце первой стадии для приведенных нанопленок составляет 0,32, 0,34, 0,45 и 0,55 эВ/атом, соответственно. Уровень запасенной энергии в конце стадии пластической деформации для исследуемых нанопленок равен 0,5, 0,55, 0,68 и 0,74 эВ/атом, соответственно.

состояния не достигается, даже отдельные атомные подплоскости, как показано на рис.8(а). На рис.8(6) снимок»5-ой плоскости <101> в момент времени 600 пс.

с

1 I- '

I/

Рис.9. Изменение запасенной энергии в

зависимости от времени растяжения.

Эксперимент при 1000К для 10 х 10 х 5(а), 25 х 25 х 5(6), 50х 50 х 5(в) и 70x70 х 5(г), нанопленок N1.

Рисунок 10 представляет атомную картину, обнаруженную при разрушении нанопленок № с различными сечениями. Поверхностные атомы играют важную роль в механическом поведении наноструктур. Хотя отдельный случай разрушения не предсказуем, множество экспериментов по разрушению образцов демонстрируют статистику. В большинстве случаев, при относительно малых размерах наноблоков, конечное положение разрушения встречается в центральной части, по мере того, как длина наноблока увеличивается, положение разрыва постепенно сдвигается к концам.

Рис .10. Атомная структура нанопленок № различного

сечения на момент разрушения кристалла при Т = 300К.

В следующей группе экспериментов выполнена оценка влияния концентрации вакансий на особенности структурных изменений в деформируемом образце нановолокна при одноосном растяжении. Компьютерный эксперимент выполнялся при температуре 300К. Концентрации вводимых вакансий были заданы равными 0.0%, 0,55%, 1,11%, 1,66%, 2,22%, 3,33% и 4,44%.

На рис. 11 показано изменение запасенной энергии деформации кристалла в зависимости от времени растяжения при 300 К и 1000 К для 10х 10 х 10 нановолокон N1 без вакансий и при концентрации вакансий (V), равной 2,22%. Как упоминалось ранее, время растяжения определяет уровень деформирующего напряжения.

Рис.11. Зависимость запасенной энергии деформации от времени эксперимента при температурах 300 К (а) никель-10 х 10 х 10 и У=0.0% , и (в) никель-10 х 10 х 10 и У=2.2% , и напряжения на захватах от времени при температурах 300 К (б) никель-10 х 10 х 10 и У=0.0%, и (г) никель-10 х 10 х 10 и У=2.2%.

Деформация происходит с ускорением стадии разрушения нановолокона. Результаты показали, что положение разрушения зависит от концентрации вакансий (рис12). На рис12представлено расчетное положение разрушения для нановолокон № при различных концентрациях вакансий.

Рис.12. Атомная структураЮхЮхЮ нановолокон N1 с различными концентрациями вакансий на момента разрушения кристалла при Т = 300К.

Четвертая глава посвящена исследованию структурно-энергетических превращений, имеющих место в процессе деформации нановолокон интерметаллида №3Ре со сверхструктурой Ы2. Для трехмерного моделирования по методу молекулярной динамики процессов деформации и разрушения нанообразцов сплава №3Ре межатомные взаимодействия были представлены для различных пар атомов в форме парных потенциалов Морзе, характеристики которых были приведены во второй главе. Расчетный блок полностью упорядоченного кристалла на основе ГЦК решетки с упаковкой компонент с основанием в виде квадрата в плоскости {001} с высотой, соответствующей направлению <001>. К расчетному блоку кристалла прикладывались свободные граничные условия в направлениях <100>,<010> и жесткие - в направлении <001>.

В областях упругой деформации при относительно небольших напряжениях сохраняется атомный дальний порядок, соответствующий сверхструктуре Ы2 (рис. 13). С увеличением растягивающего напряжения возникают точечные дефекты в виде пар Френкеля; при перемешивании вакансий и межузельных атомов происходит нарушение ближнего порядка как относительно базовой кристаллической структуры, так и сверхструктуры.

Рис.13.Изменение структуры сплава №3Реразмера 6 х б х 12 во времени при его растяжении вдоль направления <100>, начиная с совершенного кристалла ГЦК решетки при 300 К.

Анализ графиков на рис. 14. показал, что средние значения длительности первой! стадии деформации для наноблоков, длиной 6, 12, 24 и 40атомных рядов [100] составляют 15, 20, 35 и 40 Пс, соответственно. Длительность стадии пластической деформации равна 40, 50, 35, 20 Пс, соответственно.

Значение запасенной энергии на пике графика деформации в конце первой стадии для приведенных наноблоков составляет 0,15, 0,1, 0,08 и 0,06 эВ/атом, соответственно. Уровень запасенной энергии в конце стадии пластической; деформации для исследуемых наноблоков равен 0,35, 0,28, 0,12 и 0,085 эВ/атом. соответственно.

Рис.14. Зависимость запасенной энергии деформации от времени эксперимента при температуре 300 К сплава №3Ре.Образцы -6 х 6 х 6 (а),6x6x24 (б), 6х6х24(в) и 6х6х40(г).

Рисунок 15 показывает отношения предела текучести к длине, полученные для температуры 300 К.Рисунок 16 представляет атомную картину, обнаруженную при разрушении образцов сплава №3Ре различной длины.

у—у т= 300 к

т

15 20 25 30

1-20. В )1

Рис.15. Отношения предела текучести к длине для различных по длине нановолокон сплава №3Ре при различных.температурах.

Рис.16. Атомная структура нановолокон сплава №3Ре различных длин на момент разрушения кристалла.

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 стадии упругой деформации. В случае, например, когда длина нановолокна в шесть раз больше поперечного сечения образца (рис. 17), наблюдается зарождение шести и более очагов деформации (указаны окружностями на рис. 17). Время развития стадии упругой деформации увеличивалось в шесть раз.

Рис.17. Атомная

У-/а4"" ................................................структура

нановолокон №3Ре различных сечений

\ /' • ЮхЮхзо ~ на момент времени

100 Пс при 300К.

Рисунок 18 показывает отношения между пределом текучести и температурой, полученные при моделировании нановолокон №зРеразмера 6 х 6 х 12. Предел текучести уменьшается с ростом температуры почти по линейному закону. На рисунке приведена зависимость предела текучести от температуры для образцов, вдвое больших по длине. Зависимость между исследуемыми параметрами оказывается аналогичной.

Рис. 18. Отношения предела текучести к температуре для различных по длине нановолокон сплава №3Ре.

Рисунок 19 представляет атомную картину, обнаруженную при разрушении образцов длиной в 24 атомных ряда при различных температурах. С увеличением температуры образца разрушение наступает при более высоких деформациях. Положение разрушения зависит от температуры сплавов. Поверхностные атомы играют важную роль в механическом поведении наноструктур. Хотя отдельный случай разрушения не предсказуем, конечное положение разрушения встречается, в основном, в центральной части.

Пятая

глава посвящена исследованию превращений, имеющих место в процессе деформации нановолокон ГЦК №. Методом молекулярной динамики исследуются атомные механизмы структурной перестройки монокристалла Ni, происходящие при приложении одноосного растягивающего напряжения со скоростью 20 м/с. Инициализируется блок в форме прямоугольного параллелепипеда с основанием в виде квадрата в плоскости {001}, высота которого соответствует направлению <001>. К расчетному блоку кристалла прикладываются свободные граничные условия в направлениях <100>,<010> и жесткие - в направлении <001>. Компьютерное моделирование выполнено с использованием многочастичного межатомного потенциала Клери - Розато для нановолокон Ni в приближении второго момента из ТБ (Tight Binding) модели. Выявлены механизмы, реализующие структурно-энергетические превращения на каждой стадии деформации. Дан сравнительный анализ структурно-энергетических превращений, происходящих при одноосном растяжении нановолокон Ni. МД моделирование используется для изучения влияния различных форм, размеров, температуры, концентрации вакансий для нановолокон Ni на природу деформации и разрушения.

На любом этапе деформации предполагалась возможность последующего охлаждения расчетного блока с целью детального анализа структурных изменений, произошедших в нем. Размер расчетного блока кристалла составлял от 163 атомов, что соответствовало упаковке 5 атомов вдоль грани в основании прямоугольного параллелепипеда и 5 - по его высоте, до 72500, что соответствовало упаковке 50 атомов вдоль грани в основании прямоугольного параллелепипеда и 50 - по его высоте.

На рис.20, показано изменение запасенной энергии деформации кристалла в зависимости от времени растяжения при ЗООК для (а) 10 х 10 х 10 и (б) 50х 50 х 50 наноблоков Ni.

Рис. 19. Атомная структура нановолокон сплава №зРе-6 х 6 х 24 при различных температурах на момент разрушения кристалла.

структурно-энергетических

;;; [ II ш. ¿у

ГОНОхИ Га' ,-.,,„.,,.■ 300К

в1'",а'Пс " ' В ре я л, Пс '

Рис.20. Изменение запасенной энергии в зависимости от времени растяжения. Эксперимент при ЗООК для (а) 10 х 10 х 10 и (б) 50х 50 х 50 нановолокони №.

Во время квазиупругой деформации значение напряжения на захватах росло линеино, так как скорость деформации была постоянной. Угол наклона прямой графика «напряжение-время деформации» определялся материалом нановолокна и направлением растяжения.

В зоне пластической деформации происходит структурная перестройка исследуемых образцов. Картина структурных изменений, происходящая в образце 40 х 40 х 40, показана на рис. 21. 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.

. .'Лх- .' . Рис.21. Атомная структура

40 х 40 х 40 наноблока № в :-■ . •-¡,| ■■ " момент времени 100 пс в

• ' ■ ' ■ области пластической

деформации.

Рисунок 22 представляет атомную картину, обнаруженную при разрушении наноблоков N1 различных размеров. Как следует из рисунка и результатов с увеличением размера образца разрушение наступает при более высоких деформациях. Положение разрушения зависит от размеров наноблоков По -видимому, для малых образцов оказывается важным влияние поверхностных атомов, их доля уменьшается с ростом размера образца.

<;!' N¡-10x10110

Рис .22. Атомная структура наноблоков № различных размеров на момент разрушения кристалла.

Рисунок 23 показывает отношения предела текучести к длине деформируемых образцов на этой стадии, полученные при температуре 300 К;Как видно из рисунка напряжение уменьшается с увеличением размера. При повышении температуры' эксперимента до 1000К результаты отношения напряжения к длине демонстрируют значительное колебание относительно линейной зависимости (рис.23), однако величины колебаний могут быть уменьшены при увеличении чи^ атомов исследуемых наноблоков.

Рис.23. Отношения между «предел текучести - длина» для различных наноблоков N1 при ЗООКи 1000К.

выполнялся в интервале температур

Более подробно компьютерный эксперимент ........................,г„_..........

от 100 К до 1500 К. Исследование проводилось на примере образца 30 х 30 х 30. На рис. 24. показано изменение запасенной энергии деформации кристалла в зависимости от времени растяжения при температурах 100 К, 500К, 1000К и 1100 К для ЗОх 30 х 30 для наноблока №.

Г

* « « ж^г

Рис. 24. Изменение запасенной энергии в

зависимости от времени растяжения

для ЗОх ЗОх 30 наноблока N1 при 100 К(а), при 500 К(б), при 1000 К (в) и при 1100 К (г).

Рис.25 демонстрирует зависимость предела текучести наноблока от температуры, который уменьшается почти по линейному закону с ростом температуры. Считается, что понижение предела текучести является результатом ослабления связей между атомами №, вызванного повышением температуры.

Рис. 25. Отношения между пределом текучести и температурой для 30 х 30 х 30 наноблока №.

Таким образом, на первой стадии деформации в нановолокнах № при всех температурах накапливались точечные дефекты в виде междоузлий и вакансий. Количество точечных дефектов увеличивалось с ростом температуры

эксперимента. В конце первой стадии в результате проскальзывания дислокационных петель вдоль 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.

В настоящем разделе выполнено исследование влияния концентрации вакансий на деформацию одноосного растяжения нанообразца на примере блока рамером 30 х 30 х ЗО.На рисунках 26 показано изменение запасенной энергии деформации кристалла в зависимости от времени растяжения при 300 К для различных концентраций вакансий. Эксперименты показали, что, когда увеличивается число вакансии, первая стадия деформации сужается, и также сужается вторая стадия (рисунки 26).

Рис. 26. Изменение запасенной энергии в зависимости от времени растяжения, эксперимент при ЗООК для 30 х 30 х 30 наноблока № при V = 0.0%(а), при V = 0,79%(б) , при V = 1,5%(в), и при V = 3,9%(г).

Рисунок 27 (а, б) показывает изменение отношения напряжения к деформации одноосного растяжения наноблока при различных концентрациях вакансий при температурах ЗООК и 1000К. Как видно из рисунка, отношения напряжений к деформациям уменьшаются с ростом температуры с увеличением числа вакансий. Осцилляции на графиках связаны со стадиями деформации, механизмами, реализующими ее.

у=о

У=0.79% \Л=1.5%

.-■-г:

Ш /я

*|к -И

•!!?>' Л

I * у'

У=0

У=0.79%

асй <х*с>

Рис 27. Отношения между напряжением и деформацией для 30 х 30 х 30 наноблока N1- для разных концентраций вакансий при 300К(а) и ЮООК(б).

На рис.28 приводится зависимость изменения предела текучести от концентрации вакансий для 30 х 30 х 30 наноблока № при 300К и 1000 К. Предел текучести уменьшается с ростом числа вакансий почти по линейному закону. С ростом температуры уменьшается тангенс угла наклона. По-видимому, с тангенсом угла наклона может быть связан определенный активационный процесс.

Рис. 28. Изменение предела текучести в зависимости от концентрации вакансий для 30 х 30 х 30 наноблока № при 300 К и 1000 К.

вакансии,0/»

В настоящем эксперименте одноосному растяжению подвергались образцы кубической формы с использованием потенциала Клери - Розато и потенциала Морза с длиной стороны, соответствующей атомным упаковкам 5,10, 20, 24, 30, 36, 40.

Значение запасенной энергии на пике графика деформации в конце первой стадии 30 х 30 х 30 наноблоков N1 при ЗООК с использованием потенциала Морза и потенциала Клери - Розато составляет 0,05 и ОД эВ/атом, соответственно. Уровень запасенной энергии в конце стадии пластической деформации для исследуемых потенциалов составляет 0,13 и 0,12 эВ/атом, соответственно (рис.29).

Зависимость .-ufl.tr«има& лмкптп силмиы т

Рис.29 Изменение запасенной энергии в зависимости от времени растяжения для 30x30x30 наноблоков N1 при ЗООК с использованием потенциала Морза и потенциала Клери - Розато.

С ростом деформации на границах имеющихся субструктурных блоков образовывались новые субструктурные блоки путем поворота участков нановолокна.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1- В результате исследований структурно-энергетических превращений в процессе деформации растяжения в нановолокнах N1 и №3Ее различных форм, размеров, конфигураций и объема в процессе высокоскоростной одноосной деформации растяжения при различных температурах выявлены особенности развития четырех стадий структурно-энергетических превращений: квазиупругая, пластическая, течение и разрушение.

2-С увеличением объема образцов время завершения первой стадии деформации -квазиупругой- возрастает, при этом величина предела текучести уменьшается, а время достижения разрушения образцов возрастает. С ростом температуры значения данных характеристик уменьшаются.

3-При изменении длины образцов происходит трансформация характеристик структурных перестроек в образцах, имеющая место во времени. Длина нановолокна влияет на величину временного интервала начала упругой деформации и длительности стадии пластической деформации. При увеличении размеров поперечного сечения без увеличения длины образца происходит увеличение предела текучести и длительности стадии квазиупругой деформации кратно увеличению сечения нановолокна.

4-При деформации нановолокна сплава №3Ре малого поперечного сечения и с относительно большой скоростью в процессе нагружения на первых стадиях не обнаруживалось нарушения сверхструктурного порядка, то есть не возникали частичные дислокации. При увеличении размеров поперечного сечения без увеличения длины образца происходит увеличение предела текучести кратно увеличению сечения нановолокна.

5- Температура эксперимента влияет на характер структурно-энергетических превращений на всех этапах деформации. С увеличением температуры уменьшалась длительность первой стадии деформации и величина откольной прочности. С повышением температуры в конце первой стадии наблюдалось появление элементов амортизации структуры. Стадия пластической деформации завершалась течением с образованием шейки.

6- Показано, при исследовании нановолокон № с изменением концентрации вакансий меняются значения всех физических параметров деформации. Предел текучести, время завершения первой стадии деформации (величина деформации), время начала разрушения образца (предельная длина неразорванного образца) уменьшаются с ростом числа вакансий в образце. Так, при различных температурах с увеличением концентрации вакансии наблюдается снижение напряжения на захватах.

7-Путем сравнения экспериментальных данных, воспроизводимых с использованием простых парных потенциалов Морза, с данными, полученными из (аЫпкш) расчетов с использованием методик и реализации потенциала Клери -Розато, было определено, что потенциалы Клери - Розато и Морза подходят для исследования характера структурно-энергетических превращений, имеющих место в деформируемых нановолокнах.

Публикации по теме диссертации:

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАКМинобрнауки РФ:

1. Aish М.М., Starostenkov M.D., Effect of volume on the mechanical properties of

nickel nanowire// Materials Physics and Mechanics, vol. 18, no. 1, pp. 53-62, 2013.

2. Старостенков М.Д., Айш M.M., Ситников A.A., Деформация различных

никелевых нанопроводов при 300 К// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2013, том 10, №3- С. 403-408.

3. М Starostenkov M.D, Aish М.М., А.А. Sitnikov, S. A. Kotrechko, Deformation of

different nickel nanowires at 300 К // Letters on Materials. №3 (2013) 180-183.

4. Aish M.M., Molecular dynamic simulation of 12x12x36 nickel nanowire at different

temperatures // IJSIT, 2014, 3(1), 080-084.

5. Aish M.M., Starostenkov M.D, Molecular Dynamic Simulations of ultrathin Nickel

nanowires at various temperatures // SOP Transactions on Nano-technology, in press.

6. Starostenkov M.D, Aish M.M., A.A. Sitnikov, S. A. Kotrechko, Features of

deformation and breaking for ni nanowire // Letters on Materials №2 (2014) 101106.

International conferences:

7. Aish M.M, M. D. Starostenkov, Study the stress - strain behavior of different Nickel

nanowires at the same temperature // INTERNATIONAL CONFERENCE, Hierarchically built systems of organic and inorganic nature, Tomsk Russia September 9-13, 2013.

8. Starostenkov M.D, Aish M.M, A. V. Yashin, Molecular Dynamic Simulations of

Nickel nanowires at different temperatures // E-MRS 2013 FALL MEETING September 16-20, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

9. Aish M.M, Starostenkov M.D, Study of stress- strain behavior of different Nickel

nanowires at 300k // E-MRS 2013 FALL MEETING September 16-20, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland.

10. Starostenkov M.D, Aish M.M, Molecular dynamic study for ultrathin Nickel nanowires at the same temperature // 3rd International Conference on Mathematics & Information Science (ICMIS 2013), Luxor, Egypt, 28-30 Dec. 2013.

11. Starostenkov M.D, Aish M.M, Molecular Dynamic Simulations of Nickel nanowires at various temperatures using Cleri-Rosato potential//3rd International Workshop on Physics Based Material Models and Experimental Observations, 2-4 JUNE, 2014, Cesme/Izmir - TURKEY, in Press.

12. Aish M.M, Starostenkov M.D, Modeling deformation and fracture in Ni nanowire - plasticity using a 3D molecular dynamics // "The 7th Chaotic Modeling and

Simulation International Conference (CHAOS2014), Lisbon Portugal on 7-10, June, 2014

13. Aish M.M, Starostenkov M.D. Effect of vacancy on the structural deformation and mechanical strength of ultrathin Nickel nanowires // the 20th European Conference on Fracture (ECF20), Norway on 30th June - 4th July 2014, in Press.

14. Starostenkov M.D, Aish M.M, Molecular Dynamic Simulations of Ultrathin Ni3Fe Alloy at Different Temperatures // International Conference on Construction Materials and Structures, 24-26 November 2014, Johannesburg South Africa. (Filename: CMATS137.doc or CMATS137.pdf). in Press.

15. Starostenkov M.D., Aish M.M Molecular Dynamic Simulations of ultrathin Nickel nanowires at different temperatures// 54 Международнаяконференция «Актуальныепроблемыпрочности» 11-15 ноября 2013 года, Екатеринбург, Россия.

16. Aish М.М.,Starostenkov М. D. Molecular dynamic study for ultrathin Ni3Fe а11оу//54Международнаяконференция «Актуальные проблемы прочности» 11-15 ноября 2013 года, Екатеринбург, Россия.

17. M.M. Aish, Starostenkov M.D, Молекулярно-динамического моделирования Для Нановолокон никеля при различных температурах //«Наследственная механика деформирования и разрушения твердых тел - научное наследие Ю.Н.Работнова», Москва, 24-26 февраля 2014, Институт машиноведения механике -Российская академия наук.

18. Старостенков М.Д., Айш М.М, Особенности процессов деформации и разрушения наноб-локов ni различных размеров//«УШ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО МЕХАНИКЕ ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА», 16 июня - 21 июня 2014 г., Чебоксары, Россия, inpress.

Прочие статьи:

19. М. Д. Старостенков, М.М. Айш, Влияние вакансии деформацию механические напряжения структурниеультратонких никелевых нановолокон // Ползуновский альманах, №2/2013- С. 133-136.

20. Мохамед Махмуд Айш, Deformation of 12x12x36 Nickel nanovvire at different temperatures // Конференция «Наука и молодёжь - 2013» АлтГТУ 25 по 30 апреля 2013.

21. Мохамед Махмуд Айш, Изучение потенциалньых параметров морзе для 11 металлических сплавов// IV международная научно-практтичееская Конференция, АлтГТУ 4 по 5 апреля 2013.

22. М. D. Starostenkov, Aish М.М, Влияние вакансии деформацию механические напряжения структурние ультратонких никелевых нановолокон //5-я Международная конференция "Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств", АлтГТУ с 18 по 19 декабря 2013.

Aim of the work

The aim of the study by computer simulation of structural transformation nanowires subjected at high deformation depending on the configuration, shape and size, the concentration of vacancies at different temperatures. The simulation was performed using both pair interatomic potentials type Morse and Cleri-Rosato potentials, constructed on the basis of ab- initio method.

To achieve this goal, the work had the following objectives:

1 - Construction of a mathematical model that combines in a single approach as the mechanisms of deformation behavior and fracture mechanisms to atomic order in Ni and NijFe alloy.

2 - A detailed examination of the impact and the mathematical description of the shape, size, temperature and concentration of vacancies on the mechanical properties of Ni nanowires and alloy NijFe.

3 - Study the effect of various shapes, nanowires sizes, temperature an concentration of vacancies on the structural features and energ transformations that occur during uniaxial tension.

Feature and future of the work

Scientific and practical value of the work is that the results can be use for the development of the theory of plastic deformation in the study o deformation nanowires fee metals and alloys, also can be used for th development of the modern understanding of the processes occurring at th micro level in solids. The mechanical properties of nanowires metals an alloys were useful for designing and manufacturing nanodevices. Th present study demonstrates the success of simulation in the study of th basic mechanisms of plasticity and failure nanowires at the atomic level The results of computer simulation can be used as demonstration materia for students of material science, for the possible creation of a laborator practical.

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползу нова

На правах рукописи

Л/ 1 /. с оо/О

и Ч ь V I 1 ^ ' ' '

Айш Мохаммед Махмуд Мохам мед

Исследование особенностей деформации и разрушения нановолокон металлов и сплавов в зависимости от их формы и размеров

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Старостенков М.Д.

Барнаул - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. 5

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-Розато. 46

2.5. Описание использованной модели применяемой в работе. 48

2.5.1. Выбор температуры компьютерного эксперимента. 48

2.5.2. Учет теплового термического объемного расширения нановолокна. 48

2.5.3. Картина радиального распределения. 49

2.5.4. Визуализаторы атомной структуры. 50

2.5.5. Моделировании смещений вблизи захватов. 53

Глава 3. Деформация нановолокон № с использованием парных потенциальных функций Морзе. 55

3.1. Влияние длины наноблоков. 55

3.2. Влияние объема на механические свойства нановолокон N1. 60

3.2.1. Атомная структура материала в зонах пластической деформации, течение и разрыва. 63

3.3 Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения. 67

3.4. Механические свойства № нанопленок. 70

3.5. Особенности процессов деформации и разрушения наноблоков № при различных температурах. 75

3.6. Влияние концентрации вакансии на структурную деформацию и механическую прочность. 78

3.7. Основные выводы. 82

Глава 4. Молекулярные динамическое исследование для ультратонких сплава №3Ре. 84

4.1 Молекулярно динамическое исследование ультратонких образцов сплава №3Ре. 85

4.1.1 Атомное распределение компонент во время растяжения. 86

4.1.2. Стадии деформации для различных по длине нановолокон сплава №ЗРе при 300К. 89

4.1.3. Влияние длины на предел текучести. 91

4.1.4. Влияние длины образца на положение разрушения и время разрушения образцов сплава №3Ре. 92

4.2. Оценка влияния длины и поперечного сечения нанообразцов на число мест разрывов при приложении деформации одноосного растяжения. 94

4.3. Влияние температуры эксперимента на характеристики деформации и разрушения нановолокна. 97

4.4. Основные выводы. 102

Глава 5. Механические свойства наноблоков №: 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 № при 300К. 106

5.1.2. Влияние размера образца на предел текучести. 107

5.1.3. Отношение между напряжением и деформацией для различных по размерам наноблоков N1. 108

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. 126

Список публикаций по результатам, представленным в работе. 129

Литература. 132

ВВЕДЕНИЕ.

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 N1 и сплава №3Ре, в зависимости от их конфигурации, формы и размеров, в процессе высокоскоростной деформации одноосного растяжения при различных температурах является актуальным.

Новая концепция использования нановолокон как строительных блоков для логических и запоминающих схем делает абсолютно необходимым полное понимание механического поведения таких объектов.

Цель работы заключается 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 нановолокнах N1 и сплава №3Ре.

2- Детальное рассмотрение и математическое описание влияния формы, размера, температуры и концентрации вакансий на механические свойства нановолокон № и сплава №3Ре.

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 N1 и №3Ре 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.

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 69 рисунка и 18 таблицы. Список литературы содержит 176 наименования.

Первая глава посвящена обзору современных теоретических и экспериментальных сведений о наноматериалах: описаны виды наноматериалов, их свойства и использование, представлены экспериментальные и теоретические способы исследования наноматериалов. Дан исторический обзор метода МД, приведены основные задачи, решаемые с помощью МД, которые решаются при исследовании свойств материалов. Перечислены потенциалы межатомного взаимодействия, применяемые в методе молекулярной динамики. В конце первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе содержится описание применяемых методик и моделей при исследовании нановолокон, Методы компьютерного моделирования , Изложены методики определения параметров для многочастичных потенциалов: Клери-Розато и парных потенциальных функций Морзе, применительно чистому N1 и интерметалл иду №3Ре со сверхструктурой Ь12.

Приведены формулы расчета исследуемых параметров и физических величин, определяющих уравнения, в параметрах напряжение - деформация, Дано обоснование выбора применяемых в работе потенциалов межатомного взаимодействия. В конце второй главы дано описание визуализаторов, применяемых в работе.

Третьей глава приводятся результаты исследования структурно-энергетических превращений в нановолокнах чистых ГЦК металлов N1. Для проведения трехмерного молекулярного динамического моделирования был использован межатомный парный потенциал Морзе при исследовании деформации нановолокон N1 во время процесса одноосного растяжения. Инициализируется блок в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в виде квадрата в плоскости {001}, высота соответствует направлению <001>. К расчетному блоку кристалла прикладываются свободные граничные условия в направлениях <100>,<010> и жесткие в направлении <001>. Сделана попытка оценить возможное влияние различных форм, размера нановолокна, температуры, концентрации вакансий на особенности структурно-энергетических превращений. Характер деформации, скольжения, двойникования и образования шейки были изучены.

В четвертой главе посвящена исследованию структурно-энергетических превращений, имеющих место в процессе деформации нановолокон интерметаллида №3Ре со сверхструктурой Ы2. Для трехмерного моделирования по методу молекулярной динамики процессов деформации и разрушения

нанообразцов сплава №зБе, межатомные взаимодействия были представлены для различных пар атомов в форме парных потенциалов Морзе, характеристики которых были приведены во второй главе. Расчетный блок кристалла полностью упорядоченного кристалла на основе ГЦК решетки с упаковкой компонент с основанием в виде квадрата в плоскости {001}, с высотой соответствующей направлению <001 >. К расчетному блоку кристалла прикладывались свободные граничные условия в направлениях <100>,<010> и жесткие в направлении <001 >.

Пятая глава посвящена исследованию структурно-энергетических превращений, имеющих место в процессе деформации нановолокон ГЦК интерметаллида N1. Методом молекулярной динамики исследуются атомные механизмы структурной перестройки монокристалла N1 происходящие при приложении одноосного растягивающего напряжения со скоростью 20 м/с. Инициализируется блок в форме прямоугольного параллелепипеда с основанием в виде квадрата в плоскости {001}, высота которого соответствует направлению <001 >. К расчетному блоку кристалла прикладываются свободные граничные условия в направлениях <100>,<010> и жесткие в направлении <001 >. Компьютерное моделирование выполнено с использованием многочастичного межатомного потенциала Клери-Розато потенциала для N1 в приближении второго момента из ТБ модели. Выявлены механизмы, реализующие структурно-энергетические превращения на каждой стадии деформации. Дан сравнительный анализ структурно-энергетических превращений, происходящих при одноосном растяжении нановолокон №. МД моделирование используется для изучения влияния различных форм, размеров, температуры, концентрации вакансий, для нановолокон № на природе деформации и разрушения.

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.

2. Оценить распределение четырех стадий деформации нановолокон: квазиупругой, пластической, течения, разрушения по интенсивности и протяженности в зависимости от концентрации вакансий, формы и размеров образцов.

3. 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.

4. Точечных дефектов вакансий: вакансий эксперимента влияет на характер структурно-энергетических превращений на всех этапах деформации. Величина вакансий влияет на длительность первой стадии деформации, количество

и

точечных дефектов на первой стадии деформации и величину откольной прочности материала.

5. Результаты моделирования могли быть полезны для того, чтобы избежать разрушения материалов, предсказывая (предугадывая) положение разрушения. С помощью моделирования молекулярной динамики было исследовано поведение нановолокнах N1 с различными концентрациями вакансий при растяжении.

Апробация работы, Результаты работы были доложены и обсуждены на 8 научных конференциях.

Публикации, Результаты работы отражены в 16 публикациях, семь из которых в журналах, включенных в список ВАК для публикации диссертационных работ.

1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НАНОВОЛОКОН МЕТАЛЛОВ И

СПЛАВОВ.

1.1. Нанотехнологии и свойства материалов.

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 детермини�