Компьютерное моделирование атомных механизмов эволюции границ раздела в процессах трибовзаимодействия и компактирования металлических наночастиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЩОНАЛЬНА АКАДЕМЫ НАУК УКРАДИ 1НСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕР1АЛОЗНАВСТВА 1М.1.М.ФРАНЦЕВИЧА

ПОКРОПИВШИ"! ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК: 531.43: 531.66: 534.21: 539.186.3: 539.21: ' 539.378.2: 539.4.01: 539.6: 541.11: 548.4

КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ АТОМ H ИХ MEXAHI3MIB ЕВОЛЮЦП ГРАНИЦЬ РОЗД1ЛУ В ПРОЦЕСАХ ТРИБОВЗА6МОД1Г I КОМПАКТУВАННЯ МЕТАЛЕВИХ НАНОЧАСТИНОК

Спешальшсть 01.04.07 - ф1зика твердого пла

Автореферат дисертацн на здобуття паукового ступени доктора ф13ико-математичних наук

Кшв - 1998

Дисерташею е руколис

© Робота виконана в 1нституп проблем магер1алознавства ¡мЛ.М.Францевича Нашонально'1 Академ» Наук Украши

Науковий консультант: академш HAH Украши,

доктор техшчних наук, професор Скороход Валерш Володимирович, 1нстнтут проблем матер1алознавства HAH Украши, заступник директора

Офщшш опоненти : член-кореспондент HAH Украши,

доктор ф13ико-математнчних наук, Ммьман Юл ж Вжторович, 1нститут проблем матер1алознавства HAH Украши, завщуючий вшдшом

доктор ф1зико-математичних наук, Поперенко Леошд Володимирович, Ки1вський нашональний университет im. Тараса Шевченка, професор

доктор ф13ико-математичних наук, Котречко Серпй Олексшович, 1нсппут металоф|зики HAH Украши, провшний науковий сшвробтшк

Провшна установа :

Нашональний Науковий Центр "Харывський фйзико - техшчннй ¡нститут", 1нститут ф1зики твердого пла, матер!алознавства та технологш, м. Харю в

Захист вшбудеться 1998 р. о 14 год. на засшанж

спешал13овано'1 вчено! ради Д 01.8/оУв 1нституп проблем матер1алознавства HAH Украши ( 252142, Киш, вул. Кржижашвського 3 ).

3 дисерташею можна ознайомитись в науковш б1бл10ггеш 1ПМ HAH Украши ( 252142, Кшв, вул. Кржижашвського 3 ).

Автореферат розкланий "23 " О'Х,_1998 р.

Вчений секретар спещал1зовано'1 вчено! ради Д 01.88.03

Ю. Б. Падерно

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦ1ЙН01 РОБОТИ

Вступ. Дисерташйна робота викоиана на стику трьох нових напрямюв матер^алознавства - нанопорошковоТ металургп, структурно! ¡нженери границь 1 комп'ютерного матер!алознавства, розвиток яких осташим часом був викликаний використанням ультрадисперсних порошив, появою скануючо'1, атомно-силово! 1 фрикшйно-силово} м1кроскопп та комп'ютеризащею дослщжень.

Актуалыисть теми. Створення нових матер1ал1в \ нанотехнолопй мае спира-тися на чггке розумшня атомних мехашзм1в ф1зико-х1м1чиих процеЫв, шо прохо-дять в твердому тш,на границах роздпу та на Гюго поверхнь Зменшення розм1р1в порошыв до нанометрових масштабов ставить завдання дослшження структури, властивостей 1 взаемоди наночастинок в р!зних процесах порошковоУ металургп -пресування,сшкання, компактування та ¡нших. Нанокрнсташчний стан речовини мае ряд особливостей.зокрема утруднення створення диелокащй. Огже, на нано-р1вш д!ють ниш, недислокашйш мехашзми, тому вивчення мехашзм1в еволюци границь 1 контакпв в процесах взаемодн наночастинок е важливою актуальною науковою проблемою, що мае практичне значения для розвитку технолопй дина-ьпчного компактування, механосинтезу 1 нанол1Тографн. Враховуючи тенденци зменшення розм1р!в нанопорошюв, наноструктур \ мйсроприлад1в з одного боку, та збшьшення розм1р1в розрахункових кристалтв в експериментах на суперком-п'ютерах з шшого боку, можна стверджувати, що роль под1бних дослщжень буде зростати.

Зв'язок робота з науковими програмами, темами. Робота виконувалась в 1ПМ НАНУ в рамках державно! науково-техн1чно'1 программ 05.06 "Комп'ютерие мате-р1алознавство \ шформатизацш синтезу нових сполук I матер1ал1в",а також в1зом-чих тем НАНУ : 1.6.2.58-93 "Математичш методи 1 модел1 в дослижеиш властивостей 1 поведшки новнх матер)ал1в в технолопчнлх процесах 1 при експлуаташ'Г; 1.6.2.9-9б"Розробка ф!зико-х!м1Чних принцишв отримання наноструктурних композите { кермет1в методами мехашчного легування \ контральованого сшкання".

Мета двсерташ'йноГ робота - розробка наукових основ нанотрибологн 1 нових нанотехнолопй компактування методом комп'ютерного моделговання атомних мехашзм^в структурних перетворень границь роздшу 1 еволюцп адгезШних контактов в процесах тертя, зносу, зсуву, ¡ндентування, удару 1 компактування металевих наночастинок.

В робел! поставлен) та розв'язаш наступи! задач!:

1)Удосконалено методику комп'ютерного моделювання граничних наноструктур 1 процеЫв.розрахунку 1х характеристик синхронно з струклурними перетвореннями

2) Розроблено 1 тестовано комплекс комп'ютерних програм, що реал1зуе метод молекулярно! динатки 1 статики, 1 який дозволяе моделювати атомш мехашзми адгезШних явищ на транши роздшу контактуючих метал ¡в 1 наночастиинок.

3) Розроблено ряд нових нелокальних парних потеншал1в, придатних для опису границь 1 поверхонь.

4) Виконано слектралъний Фур'е-анал13 коливань наночастинок в рЬних процесах.

5) Досл1джено процеси адгезШного тертя, ковзання, зсуву 1 зносу наношорсткосп в режимах постшного зазору 1 постшно! сили.

6) Дослщжено процеси зближення i наступного роз'еднання поверхонь, нако-шдентування, удару, динашчиого компактування металевих наночастинок 1 йога ультразвуково! аетивацц.

7) Отримаш на атомному р1вш результата узагальнено на м1кроскошчному р1вш з зал учениям фрактальних 1 перколяшйних уяалень.

Наукова новизна одержаних результатов.

1) Розвинуто теорию мЬкатоиних взаемодш для перехшних метал1в 1 Ьс сполук, з урахуванням роздшьного вкладу вщ метал-метал, метал-неметал i нелокальних, об'емно-залежних мшатомних взаемодай в енергш атшйзацц.

2) Вперше методом комл'ютерного обчислення роз1рваних I створених адгез1Йних зв'язив дослшжсно: а) атоний мехашзм формування спец1альних границь з двох невзаемодиочих поверхонь при '¿х зближенш; 6) кроудШний механизм непружно'1 д е фор маца при пщентуванш; в) еттаксшний мехашзм в'язкого руйнування контакту. Введено уявлення про "прихова>гу" зернограничну поруштсть, обумоплену послабленими мгжатомними зв'язками в обласп розсередженого вшьного об'ему.

3) Вперше дослщжено на атомному ртш елементарш акти: а) адгезшиого тертя -утворення, стнскування, розтягування 1 розриву одного адгезШного зв'язку чи де-ылькох адгезШних зв'языв одного вистуиаючого поверхневого атома; б)адгез!й-ного зносу, що включае змочування, перескоки, прилипания 1 лерем1шування атом ¡в в зош контакту; в) адгез1Йного застрявання наношстря при терт! в режим! атоино-силового микроскопа.

4) Вперше розраховано силу зовншнього 1 внутр'шшього тертя в залежносп вщ перебудови атоинси структур« фрикцшного контакту в процесах адгезшиого тертя 1 зносу. Запропоновно атомно-спловий крит«р1й адгезшиого зносу 1 застрявання.

5) Вперше вивчено атомш мехашзми: а) атерм1чного зернограничного зсуву, дисипаци енерги 1 перетворення и в енерпю пперзвухових фононннх коливань ("фононне прогальмовування"); б) супутньо! шграци граниш при граничному ковзанш через епггаксШне осадження атом ¡в ("фрикщйна еттакс1я"); в) проков-зування зерногранично! дислокацп по симетричнш дв1йникозш граниш.

6) Вперше методом комп'ютерного моделювання вивчено атомний мехашзм ди-снпацц енерги 1 генераип акустичнкх фононних коливань гшерзвукового д1апа-зону при ударному стискуванщ 1 розтягуванш металевих наночастинок (адгезШ-но-осцшшвйний ефект). Впервше показано, як в залежносп вщ швидкоеп удару акустичш 1 оптична ксливання, що генеруються при компактуванш, трансформу-ються в пластичну деформашю,ротащю,аморф1защю 1 руйнування наночастинок. Вперше показано 1 вивчено атомний мехашзм пперзвуково! резонансно! актива-

цн динам1чного компактування металев!гх наночастинок.

7) Виведено фрактальну поправку до теоретично! мшносп 1 в'язкост! руШтування в модел! Гр(фф1тса, а також обгрунтовано уявлення про зернограничний каркас по.'пкристалу як про перколяшйний кластер, в результат! чого мщшсть пол1-кристалу влражена через мшшсть окремоГ граниш 1 перколяшйну функшю.

Практичне значения одержаяих результат.

1) Розроблено нову методику комп'ютерного моделювання на атомному р1вн! процеав тертя, зносу, ковзання, «иентування, удару наночастинок та обчислен -ня мЪкатомннх парши адгез1йннх зв'язюп мЬк контактуючими поверхнямч, що дозволяе обчислювати силу тертя 1 ¡пил характеристики процес!в синхронно перетворенняи структур».

2) Розроблено новий комп'ютерний способ розрахунку щшьносп спектру акустичних 1 оптичних коливань наночастинок, що складаеться з двох еташв, г. саме: молекулярно-динамншого моделювання коливань 1 Фур'е-пнал1зу спектру коливань центру мае \ окремнх атом1в.

3) Розроблено ряд нових нелокальннх парних мЬсатомних потеншал!в для ОЦК-перехшннх метал ¡в з урахуванням енергп, тиску 1 стисливосги електронного газу, шо забезпечують правил ышй опис пружних I теплових нластнвостей криепшв, поверхонь I границь роздЬгу.

4) Розроблено, тестовано та випробувано комплекс комп'ютерних програм СЩЕМ/АСМ1ТСК на мов1 МБ-РоПтап 5.0 з траф^чною б1бл1сггекою на мов'| С +.

5) Методика, потеншалн 1 комплекс програм можугь бути використаш для :

а) подальшого доелдасення цих 1 ¡нших ф1зичних процеав та адгезШних явищ на границ» контакгуючих твердих тгл в нанотрибологп, нанол'|Тографа I нано-порошковШ метал ургп;

б) демонстраш'1 в учбовому процеа атомних мехшпзм1в ¡ндентування, тертя, ковзання, удару та шших адгез1йних явищ;

6) Запропоновано ударно-хвильовий резонансний принцип активацп компактування, що може бути використаний при розробщ ново! технологи компактування нанопорошив 4 нанесения покрить.

Особистий внесок автора. Переведений об'ем дисерташиноУ роботи викона-но особисто автором, а саме: виконана постановка задач на основ! анал'иу Л1тера-турннх даних, розроблена нова методика 1 комплекс комп'ютерннх програм, ви-конано весь комплекс комп'ютерних рксперименпв I аналггичних розрахунгав, 1х анал13 1 обговорення, одержано основш результата 1 сформульовано вс'| висновки. В робот! автору допомагали: 1) Науковий консультант, завщуючий в'шдиюм 1ПМ НАНУ, академш В.В.Скороход (концепшя, постановка задач, обговорення 1 анал13 результата); 2) Завщуючий лаборатор4ею 1ПМ НАНУ, к/г.н. В.В.Огородш-ков (методичш питания по мжагомним потеншалам, обговорення результате); 3) Астрант 1ПМ НАНУ А.В.Покрогшвний ( методичш питания по комп'ютер-ному спектральному анашу, обговорення результата). 1шш сшвавтори брали участь етзодично (оргашзашя робгг, обговорення одержаних результата). Вам '¿м автор висловлюе щиру вддчшеть.

На захист виносятъся наступи! осиовш положения:

1) Нова методика атом1стичного моделювання процейв тертя, зносу, ковзання, шдентування, удару ианомастинок i обчислення адгезШних зв'язив м1ж контакгу-ючими поверхнями, шо дозводяе розраховувати енерпю i силу адгезп, силу тертя i iHmi характеристики контакту синхронно з спостереженням структур Hirx пере-творень.

2) Ряд нових нелокальиих парних мисатомних потеншал1в для ОЦК-перехщних меташв i сполук з врахуванням енергй, тиску i стискуваност1 електронного газу, шо забезпечують опис пружних i тсплових властивостей крисшнв, поверхонь i границь роздшу.

3) Пустотна модель нер1вноважних границь зерен. Визначальна роль оптимального (р1вноважного) вшьного об'ему в формуванш властивостей гранндь зерен. Уявлення про "приховану" зернограничну поруват!сть.

4) Атомш мехашзми: а) формування границ! i адгезшного контакту з двох не-взаемод1Ючих поверхонь при наближенш; б) пластично! деформацп кроушйного типу в npoueci нан01ндснтування нанов^стря в поверхню; в) еттаксшного в'яз-кого руйнування контакту при розтягуванш.

5) Епементарш акти i атомш мехашзми адгезШного тертя, зносу i засгрявання. Кореляцш великих негативних i позитивних стрибив сили тертя з створенням i розривом адгез1йних зв'язюв та малих негативних i позитивних стрибюв з ix стаскуванням i розтягуванням вщповщно. ЕштаксШний мехашзм супроводжую-чо1 Mirpaixi'i гранищ при TepTi i ковзанш.

6) Ая.гсз1йно-осциляшйннй ефект на граниш розд1лення в процесах удару i зсуву наночастинок. Атомний мехашзм трансформаци ударних акустичних коливань в пластину деформашю, ротацт, аморфшшю i руйнування наночастинок. Принцип i атомний мехашзм пперзвуково! резонансно! активаца дннам1чного компактування нанопорошюв i нанесення покрить.

7) Фракгальна поправка до теоретично! MiuHocri i в'язкосп руйнування в модел1 Гр1фф1тса з врахуванням атомно! uiopcncocTi поверх™ руйнування.

Алробашя результата дисертацн.

OcHosui результата дисерташйно! работи доповшались на наступних кон-ференшях, семшарах i симпоз1умах: Всесоюзному ceMiHapi "Моделювання paaia-шйних i imiuoc дефекпв на ЕОМ"(м.Кривий Pir,1982р.; мАлма-Ата, 1982р.; м.Харюв,1986р.; м.Одсса, 1988р., 1990р.; м.Кшв,1991р.), I Всесоюзшй конференш! "Структура i властивосп границь зерен" (м.Уфа, 1983р.), IV Всесоюзной нарада "Радаашйш дефекта в металах" (мАлма-Ата, 1986р.), Всесоюзному ceMirapi "Хром -88"(м.КшвД988р.),М!жнародшй конференш! "Ф1зика в УкрашГ (м.Кшв,1993р.), IV i V М^жнародшй нарада "Радаацшна физика твердого тела" (м.Севастополь, 1994р.,1995р.), Мшнародних симпозиумах 'Тони гшвки в електронш" (сЛазур-не,1995р.; м.Харюв,1997р.), III МЬкрепональному семшар! "Акгуальш питания дифузи, фазових i структурних перетворень" (с.Союрне,1995р.), М!жнародному ceMiHapi "Вакуумна метал!защя" (м.Харюв,1996р.), Симпозиум! "Синергетика. Структура i властивосп MaTepiaiiß" (м. Москва,1996р.), I Ситовому KOHrpeci по триболош (мЛовдон,1997р.), М1жнароднш конференцп "Hoei терм^чш технологи

1 матер!али" (с.Кашвел1,1997р.), М1жнародшй конференци "Ноштш процеси 1 магер'1али в порошковой металурпТ (м.Киш, 1997р.) та шших.

Публ1кащ1. По тем1 дисерташ опубл1ковано бшьше нш 40 роб!т, в тому числ) 5 (за номерами 1, 7, 8, 22, 23) особисто автором, з яких 26 основних представлен! в кшш автореферату.

Структура та об'ем днеертаци. Дисерташйна работа складаеться ¡з вступу, 7 роздинв 1 висновюв. Бона викладсна на 294 сторшках, вмгшуе 19 таблиць, 66 рисушав 1 список лггературк ¡з 430 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СГ ДИСЕРТАШЙНО! РОБОТИ

В розлш 1 викладено короткий ¡сторичний нарнс розвитку уявлень про адгезт м1жчастинкових поверхонь, структуру 1 властивосп границь зерен, окрес-лено шляхи побудови атомно-кшетично! теор!1 контактних явищ та постановка завдання 1х дослщження методом комп'ютерного моделювання. Сучасний стан питания коротко викладаеться також у вступшй частиц! до кожно! окремо! зздач!, шо розглядаються в окремих роздмах.

В розпш 2 описано методику дослщжснь.

Процеси взаемодп наночастинок роз)груються на атомному ршш та в дуже коротга промЬкки часу. Для дослсджсння таких щвидкоплинних проиесш поки шо немае шформативних експериментальних методик, що обгруитовус застосування методики комп'ютерного моделювання, основано!' на метен молекулярно'1 динам1ки, який добре себе зарекомендував при вивченш точкових дефектов, границь зерен 1 радкшйних пошкоджень. ДОЕГйшршехь шс! методики пщтверджуеться багатьма експериментальними даними.прннаймт на яшеному р]вш.Проте на вшми1у вщ дефекпв методика моделювання процеив була в1асутня. 1 ттльки зовам недавно вона почала розвиватися в роботах вчених Оксфордського ушберситету, Технолопчного шеппуту штату Джордаоя та в роботах автора дисерташ. Це дало можлив>стъ перейти на яысно новий ревень -вш. моделювання окремих дефекпв до моделювання атомних мехашзм!в р1зних ф1зико-х1м1чних процеав 1 фактично означало зародження нового вицу »¡кро-скопп атомного роздшення - комп'ЮтерноУ мжросколп контактних явищ.

В §2.1 викладено основи методу молекулярно'1 динамш! 1 статики, включа-ючи забудову кристапта з дефектом, розрахунок мжатомних сил.релаксацшну процедуру - пошук р1вноважно1 атомно! конф!гурацл 1 розрахунок енергетичних характеристик системи при поспйному об'ем! У=соп$г чи тиску Р=соп51 , 1 на заюнчення, сценарй модельованих ф1зичних процеав. Цей метод дае розв'язок анал1тичних р1внянь руху атомов, причому зразу в граф!чнш 1 чисельнш форм!.

В §2.2 автором запропонована нова методика обчислення м1жатомних ад-гез1йних зв'язгав.Вона полягае у выбор! 1 сумуванш числа енергн Еа 1 сили Р„ адгезШних зв'язкш довжиною г„, дцочих М1ж атомами одше! (¡) та друга 0) кон-таюуючо! поверхш.попадаючих в раздус ди (гц < гк) мшатомного потеншалу ср(Гд)

Еа =1ф(гй); Fa =- £ d.p(r„)/dr ( 1)

Це дае можлив!Сть обчислита ряд позади их характеристик, зокрема:

1) енерпю i силу руйнування сколом ER=Ea , FR =Fa;

2) силу зовшшнього тертя (консервативного тертя без масопереносу) як р1зницю тангенщйно\' компонента сили адгези на n i n-l Kpoui

Ffc»F.n- F,"'1 (2)

3) силу BHyrpiuiHboj-o тертя (з великою структурною перебудовою) як диферен-шйну 3Miny noBHoi' енергп трибосистеми AUn=U„ -Un l при змщенш на крок Дх

Fn = AUn / Ах ( 3}

4) загальну силу тертя як р1зницю сил адгези на n i п-1 крош

F( =Fan - F/" (4:

5) миттеву в'язюсть адre3iиного контакту на n-крош ковзання

n-AUB/(S.v)=FfiN,At/S. , (5)

де v - миттева швидюсть ковзання (зсуву) на n-Kpoui

v=Ax/(NrAt) , (6)

N, - число часових крогав релаксаш, Nr At - повний час ковзання на п-крош, S, - площа адгезШного контакту,

6) суму середньоквадратичних зм1шень bcix атом!В

u = (Iu,J),/2 (7)

Процеси компактування, ишентування i удару моделювались в двох режимах - синхронному (молекулярно! динам1ки) i несинхронному (молекулярно! статики). В синхронному pexuMi верхшй б ¡кр и стал перем1щуеться з мал им кроком на кожному часовому крош релаксаци. В несинхронному режим! релаксашя i 3Mi-шення виконуються по черзг При малому крощ змшення обидва режими ¡ден-тичш. Процеси адгезШного тертя i ковзання до того ж моделювались в режимах: 1) Постшного зазору h=const Mix Е1стрям i поверхнею (висячего повзуна без на-вантаження); траекторш руху - пряма лнпя, що проходить паралельно поверхш на вщстат h. 2) Поспйного навантаження, коли на опорний повзун дае нормальна сила Fo=const (режим атомно-силового мжроскопу). Для цього на кожному крош ковзання bci атоми В1стря змицувались по нормал1 з поверхнею до piBHOBam з нормальною компонентою вщштовхувально! сили адгези поверхш F0 = F,. TpaeKTopifl руху - крива ¡зосилова лш1я над поверхнею.

Атомна структура плоского зр1зу по плошинах (100) i (110) модельного 6i-кристалу зображувалась програмою з"1зуал"1заш!' на дисплы у вигляд! кольорового вшео-фыьму.Темними кружками зображуються атоми теля перемшення i релаксаци,а евгошми кружки гид ними - IX старгов1 положення.Вщр1зками м^ж атомами показаш адгезШш зв'язки на гранищ. Пряма чи ламана лш1я бшя вершини в1стря показуе траекторию руху йнчика недеформованого повзуна ковзання. Для анал1зу ступеня розупорядкування атомно! структури в критичш момента еволю-ци процесу обчислювалась функшя радального розподшу м1жатомних вщетаней. Зауважимо, що: 1) Тепловий рух атом1в в комп'ютерних експериментах не

враховувався.тобто релаксашя виконувалась при Т=0 К. Проте локальна температура теплових плям в окремих процесах сягала декшькох сот градусов. 2) Процеси cerperauii не розглядалися. Розглянуп модел1 ¡«¡тують чистий нанопорошок, поверхневу наношорстисть в npoueci компактування, а також повзун тертя, вктря ¡ндгнтора чи атомно-силового М1кроскопа в процесах тертя та шденту-вання в умовах вакууму.

В §2.3 описано комплекс програм С1ДЕМ/АСМ1ТСК. Bin складаеться з де-ылькох десятые програм на MOBi Фортран-90 для транслятора ф1рми Microsoft MS-Fortran 5 пш операшйну систему MS-DOS. Для [шуалпацц граф|чних зобра-жень використовувалась вбудована б1бл1отека граф1чних програм GRAPHICS.LIB на MOBi СГ, а також пакет PCX ф^рмп Genus Microprogramming. Обробка граф!ч-них зображень виконувалась за допомогою графтюго редактора Paintbrush пш WINDOWS. Для побудови графшв використовувався пакет ORIGIN/WINDOWS, SURFACE та EURICA. Для монтування в1део-фиьм1Б процесу тертя та шших використовувався комплекс програм PD-LUX. I нарешп, побудова спектрально-часових fliarpaM виконувалась за допомогою комплексу програм VRN.

В §2.4 описан! результата тестування i апробаци комплексу програм. Eneprbi i структура ваканс1й i мЬквузельних атом is pi3iiux конф1гурацш добре збшшться з розрахунками шших aBTopiB i експериментальними даними. Приведено переконливий приклад,шо ¡люструс адекваттсть релаксашйно\' процедури, а саме: спочатку внутршня частина ¡деального кристалл аморфпувалась, a noTiM виконувалась релаксацы з р1зними потеншалами, в результат якоТ, як i мае бути, вшбувасться повне вщновлення структури 1аеально1 ОЦК-гратки i функии рад1ального розподшу, тобто повиа кpиcтaлiзaцiя.

В розлЫ 3 внкладено результата po6iT в галуз! конструювання noreimiajiiB М1жатоино1 взаемодп, що е фундаментом методу молекулярно'1 дшшнки, вщ якого в виршальшй Mipi залежить адекватшеть отрнмуваних результат^.

В §3.1 приведено опис cnoco6iB розрахунку першопринципних потеншшпв.

В §3.2 методом модельного псевдопотеншалу з використанням pi3Hiix обмж-но-кореляцШних поправок до енергп електронного газу розраховаш napHi потен-шали для ряду перехихних метал1В, а також енерпя зв'язку i стаб1пьн)сть pi3Hnx фаз. Неоднозначшсть,погана зб1жшсть, нестабшьшсть i неадекватшеть розрахова-них структурно-енергетичннх характеристик дефекпв показуе неспроможшеть те-opii псевдопотеншалу для розрахунку мЬкатомних потеншал!В перехщних метал1В.

В §3.3 розроблено i апробовано емшричний парний р^вноважний сплайн-пегтеншал П2 для ОЦК-переххоних метал1в, що ув^брав краин риси попереднЬс потенщал1В Джонсона i iH., який можна вважати еталонним емтричним потен-шалом. Його недолгом е нехтування порушенням сшввщношення Komi.

В §3.4 апробовано бшьш шж п'ятдесят pi3HHx схем конструювання емга-ричних нелокальних потеши aniB, що вщизняються вибором системи пшгоночних р1внянь, виглядом апроксимуючоГ функци, дальнод;ею, сшввщношенням вкладу об'емних i парних сил, тошо. Показано, що cnoci6 покращання властивостей потенщал!в за рахунок розширення сфери да слщ признати неефективним.

Закнсть цього для врахування нецентральних сил енерпя зв'язку записуеться у вигляд1 суми парного 1 об'емного члешв Ес = Ер +- Е\ Розроблено корогкодиочий нелокальний мЬкатомний потенщал П19, для якого Ес = рДУ, що забезпечус тонне значения вс1х пружних констант з врахуванням стввщношення Коий I абсолютну стшюсть ОЦК- гратки. Потеншал задовольняе принципу вшповишо-сп, тобто збер1гае кранц риси емгиричних потеншашв, зокрема П2.

Проте двочленний гамьтьтошан мае властивють швар!антносгп, негативним проявом яко: е нсоднозкачшсть потенциалу, яка залишатиметься доти, доки нелокальна 1 парна складов! не будуть розраховуватися окремо 1 незалежно одна юд одно».

В §3.5 виведеш нов! термодпнам^чн) р1вняння, шо виражають енерпю Ес , тиск Рс 1 стнскуваисть Вс електронного газу через електронний параметр Грю-найзена ус, питому теплоемшсть електронного газу при посийному об'ем! Сс=аТ, об'емний коефадент теплового розширення гратки р=3а, нев'язку Коин (С12 -С«.,), атомний об'ем П \ температуру Т

Ес = -П ( 8)

Вс = усСЛРП) (9)

Рс = -1/2 (С„ -С<4 - Ве) (10)

В результат! отримано р^вняння для об'емного нелокального вкладу

ЕДУ) = Ее - Рс ДУ + Вс ДУ /2П , (11)

де П =А5/2 - р^вноважний атомний об'ем, А - стала ОЦК-гратки.

На цШ осноб! розроблено нелокальний мЬкатомний потенциал П42 типу Фшшса-Сшклера для ОЦК-перехщних металла, в якому нелокальний вклад ви-значаеться за формулою (11), а парннй сплаин-потеншал - через модул I зеуву, енерпю зв'язку 1 посгпйну гратки.

Розшлення вклад'ш в енерпю зв'язку вш юнно! I електронно! шдсистем дозволяе тракггувати властивосп кркскшв у р^вноваз! (сталу гратки, крихысть та шип) як баланс граткових 1 елекгронних сил. В ОЦК-перехшних металах, за виключенням хрому, ршновага досягасться за рахунок сил вшштовхування юшв першей 1 притягування юшв друго! координашйних сфер, що разом розпирають гратку, та сил притягування електронного газу, що стискують й. Остановлено обернену кореляцш об'емного нелокального вклад}' в енерпю зв'язку з температурою Дебая ес : Ес/Есос 1/вЕ, та крихыстю ОЦК-перехщшх металле - по М1р1 зменшення об'емного вкладу крихысть зростас в ряду МЬ->Та-»У->Мо-»\У-»Ре-> Сг. Запропоновано формулу для ошнки вкладу гратки в температуру природно! холодноламкосп: ТХ=^9С.

Розраховано параметри чотирьох типових потеншашв при рЬних температурах,а саме: П61- р1вн0важний суто парний потенщал без врахування нелокальних сил при Т=0; П62- нелокальний потеншал з врахуванням об'емного члена, але без теплового члена в умов1 р!вноваги при Т=0, який в пор1Внянн; з П61 означав включения нелокальних сил; П63 1 П64 - нелокальш потеншали при Т= 300К 1 Т=1013К. Параметри 1 графш! деяких потенщал ¡в представлен! на рис.1 1 2.

Анал1з рис.1 показуе, що: 1) включения нелокальних сил (тиску Кош! Рс= -12 ГПа) збшьшуе р1вноважну в¡дстань потеншалу г0 1 отже розширюе гратку, а

нслокальш сщи стискають ïï ( звЬсн i назвл - електронний "клей"); 2) теплове розашрсння гратки е наслихом зменшення стискуючо'1 да! тиску електронного газу (чи збтьшення нескомпенсованосп парних сил) з температурою.

Bei потеншали гарантукзть абсолютну стабпьшсть ОЦК-гратки i забезпечують пгавилъне витворення ecíx пружних молул1в, р1вняння стану, блнзьк! до експе-риментальннх значения температур» Дебая 0D, параметра Грюнайзена у. а також структуру i енергш точков!гх дефекпв. Показано, що в першому шближенш не-уршговажений, суго парний поте huí ал можш вважати прилзтинм для опису по-Bîpxni. Поблизу noeepxhi густина елестрошв спалзс в Li oó'cmhoí велнчннп до ¡гуля, тому якшо в розрахунках використопувати тпьки парннй потгншал, скон-струйованшЧ з врахуванням нелокальное™ але без розрахунку додаткових нело-кальних сил, то ие Суде екв1валентно змеишеншо електронно! густшш aGo ви-ключенню нелокалыпгх сил. Такий нескомпенсоваиий нелокальными силами потеншал П64 дас максимальне стискувания i близый до експерименту значения змшень першого i настушшх impie (100) nonepxni Це покатують результат!; моделювання структур» виьних поверхопь (100), (112), (114), (1SB), прсдстзвлет в тзбл.1, з яко! видно, що тшьки потеншал П64 приводить до рслаксаип першого шару (100) всередину у вйповцшогп з експериментом.

О 200 400 ECO sn 1003 О 200 «00 SCO ÏD0 1030 1203

мж'

р

к.тр. ю-! к-1

2.9

2.1

2.6 1И 103 !0 6С 10 20

о 23

M ' 1.2

1.0

0.S 0.6 о.< 0.2

«о oD £

100

о ' -1 -г -э

-4

с

еВ

1 0 200 400 600 ы: 10D0 0 200 400 600 ш íoboiioo" т.к т.х.

Рис.1. Розраховаш параметры нелокального потенциалу (снергП Ес, тиску Ре i стис-куваност! Ве елгктронного газу),енерги зв'язку без врахування нелокальных сил (Ер), стало¡ ОЦК-гратки з врахуванням (A) i без врахування (А.*) нелокальных сш, параметра Грюнайзена у i температуры Дебая 0¡¡, та температурна залежнкть екс-периментальних даних (каефщента теплового розширення р , модулгв зеуву С««, ц , тиску Komi С12 i енергизв 'язку EJ.

Рис.2. Отримапий масатомний потенц/ал П64 Аы a-Fc (1) в nopieiwinii з потенциалами Джонсона (2), Хассона i ¡н. (3) та Ергшсоя i in.(4).

Таблиця 1. Розрахоеаш змщсчня приповерхисвих mapie поверхонь (100), (112), (114), (158) в a-Fe з потенциалами П61-П64, представлеиих у вигляд! - db )/d„ 100%, de db - в\дстань м:ж шарами.

П61 П62 П63 П64 Експери- П64 П61 П64 П64

(100) (100) (100) (100) мент (100) (112) (114) 114) (158)

+0,8 + 14,3 +5,8 -1,1 -1,4 -2,1 -2,0 -7,8 -11,6

d „ -2,4 + 11,4 +2,6 -4,2 -9,5 -4,4 -8,0 -11,6

- 1,7 + 10,7 +2,9 -3,3 +5,9 <1 -3,1 -5,3

-2,1 + 9,3 +1,8 -3,5 -1,3 -9,0 -11,9 -12,1

dw -2,1 + 7,9 •+1,0 -3,3 -3,2 +15,7 + 15,4 -12,6

- 1,9 + 6,9 <1,0 -3,0 +1,6 -1,0 -3,8 -37,9

Огже, стала гратки, релаксащя, вдастивост! 1 структура кристалу визначають-ся р1вновагою паршгх (розпираючих) 1 нелокальних (стискуючих) сил. При иьому виршальну роль грае температурна залежшсть електронного тиску РС(Т). Можна стверджувати, що ¡снуе деяка критична температура, при якш компенсуюч1 нелокальш силн падають насттлыш, що здатш викликати не розширення, а стискування гратки в облает! поверх!» ¡, вщповщно, релаксашю першого шару всередину. При меншШ температур! цього не вщбуваеться. Ймов1рно цим 1 пояснюеться зворотна релаксащя (назови!) першого шару в деяких металах. Зауважимо, що температурна залежшсть потеншалу е доповнюючою до роз-рахунку повно1 вшьно! енергц кристалу з врахуванням ентротйного члена.

В §3.6 нелокалышй член представлено у виглящ функцюналу електронно1 густини 1 визиачено його параметри незалежно 1 окремо вщ парно'! частини. Методом зануреного атому побудоваш нашвемшричш нелокальш потенщали П78, П79 1 П83 з врахуванням ¡онно!, ковалентно! 1 металево! складових.

В §3.7 парнопотеншальна модель кристалу розвинуга на випадок сполук 1 фаз втшення з врахувянням роздшьного вкладу вщ метал-метал, метал-неметал I нелокальних М1жатомних взаемодцй в енерпю атомйзаци. Розраховано м1жатомш потенщали для рпних фаз систем» Сг-М, а саме : твердого розчшгу азоту в хром1, гексагонально! I куб ¡ч но) фаза типу ЫаС). 3 використанням отриманих м!ж-атомннх потеншал1В вирахувана теплота розпаду твердого розчину \ фазового переходу Сг2\' - СгИ у вшповшюст'г з експериментом.

Роздш 4 присвяченнй розрахунку структурно-енергетичних характеристик спешальних граниаь нахилу (з невеликою оберненою щшьжстю збЬкних вузл)в I) га моделювашно процесу Ух угворення з двох вшьних поверхонь при наближенш.

В §4.1 представлено результат» розрахунку р1вноважно! структур» ) енерги спешальних граничь нахилу в ОЦК-перехщних металах. До релаксац» границ! в положенш ¡деально! зб1жностг пщдавались жорсткнм зсупам на векторп гратки зернограничних зсув1в, що моделювали зернофаннчш дефскти упаковки, пакан-С11 I вшьний об'ем (розшнрення). Показано, що у вшповшюсп до модел) структур них одиниць, границю зерен можна зобразити з периодично. пооторюпаних структурних одиниць, що представляють собою наб!р спотворених пол!едр1в Бер-нала. Тип структурно! одиниш залежить вщ типу перетвореннл, тобто, при не-змшних геометричних параметрах, структура граншл змпдаеться в залежност! вщ коицентраш! вакапай I типу зернограничного дефекту упаковки. Розрахунок спешальних границь нахнлу е=129.53°1=11<110>(223), 6=70.53" 0=148.41°Х=27 <П0>(224), в=157.16°1=51<110>(227), 6=45.98° 1=59<1 !0>(3,3,10) \ шших пока-зус,що з1 збшьшенням Г конф4гурашя структурно! одиниш ускладшосться, а число пол1едр1в 1 ступшь !х спотворення збшьшуеться. Пор1вняння елсргп фашшь показуе, що стабшыи граниш з не!гульовим вшьним об'емом V, маготь систематично меншу енерпю, н1ж без нього. Питомий вшьний об'ем на одиницю плоин У(=\'с/5 мае розм1ршсть довжнни 1 трактуеться як зернофашгчне розшнрення, ¡агування якого пштверджуеться даними електронно! м1кроскопи високо! роздшьносп.

Рис. 3 демонструе вплив зернограничних зсув!в на структуру I енерпю специально! граниш 0=38.94° 1=9<110>(114),а також залежшсть Г! енерп! в1д величини вшьного об'ему укь(Л'г)- В розрахунках використовувались жорстга фаничш умови при У=соп51,тобто моделювалась метастабшьна структура нер1вноважних фа-ниць. Вшптимо,що розрахунки Вольфа при Р=сого1 дають оптимальний вшьний об'ем для р1вноважних фаниць, тому знайдена ним залежшсть мае лшшнин вигляд. Залежшсть енерп! границь вщ питомого вшьного об'ему угь(у|) мае наступи! характерш риси: 1)високе значения в обласгп стискування з У|=0; 2) по-спйне значения уеЬ=2у, (уг енерпя поверхш) при зростанш зазору мок зернами бшьше критичного v(=rk; 3) наявшеть мМмуму, що вщповщае р1вноважному стану фанищ. 3 цього випливае важливий висновок - для кожно! фаниш зерен ¡снуе оптимальне,р1вноважне ненульове значения питомого вшьного об'ему уг°00,05нм,що в перерахунку на один атом близьке до вшьного об'ему в рщиш, i при якому енерпя фанищ буде м1шмалыюго. Вшьний об'ем може формуватися з

пл01шшних пор, вакансш, ix кластерю та шших микчастинкових пустот нано-скошчного масштабу. Слщ розр1зняти два види вшьного об'ему - локализований i розсереджений.

е> съ

• У

rk V"

Рис.3. Залежнкть енерги спец'юлыю! гра/iuifi 1=9 eid вектора зсуву, розраховami в вузлах гратки зернограничних зcyeie (DSC), та залежнкть енерги границь зерен eid величины питомого етьного об'ему (розширення) : 1 - з потенщалом П61 для границ/ 2=9 при V— const; 2 - з потенциалом П64 для границ': 2=9 при V=const; 3 - лтшна залежнкть Вольфа при P=const для ркноеажних границь; 4 - схема мстастабЫышх cmaiiie нершноввжних границь в пустотнш модели

В §4.2 методом обчислення роз1рваних i утворених адгезшних зв'язюв описано процес формування границ! зерен з двох невзаемодшчнх a-Fe-поверхонь (112), (114) i (158) при ïx наблюкенш, а саме: дв!Йниково! 9=70.53° Е=3<110>(112), спешально! 6=38.943 1=9<1 Ю>(114) i близько! до загально! 6=82.95" 1=57 <110> (158). Розраховуваласъ енерпя, функшя рад1ального розподиу i атомна структура.

При товщиш зазору h > rk криспшт постае як дв1 невзаемоддач1 поверхш з енерпею 2у,. В початковий момент утворення адгезшних зв'языв, nepuii шари обох поверхонь р1зко змшюють величину i напрямок релаксацп з увтгуто! (d=-7,8%) на вигнуту (d= +41%). Виникае сильна горизонтальна припасовуюча ре-лаксашя в площиш гранищ, що викликае перехщ поверхонь в дуже iiepisuo-важну i пустотну м1жчастинкову границю. Осциляшя змщень поверхневих iuapiB зникае i Bci припэаничш шари релаксують назови!. При деяый критичнш в'щ-сташ A<h<rk число mîctkobhx зв'языв лавинопод1бно зростае.викликаючи pi3Ke зближення поверхонь - адгезШний обвал. З'являються cniribHi атоми, зв'язаш з обома кристал!тами, енерпя яких промскна mix енерпею зв'язку в гратш i на noeepxHi, тому таю атоми стають центрами кристимзацц зерногранично! фази. Те, якою вона буде, залежить Bia багатьох факторов - геометрп i когерентносп гранищ, вшьного об'ему, сшввццющення парних i нелокальных сил, тощо. При Ь=2/ЗА з'являеться сшльна для обох крисшив площина. Сущльна шилина фрагменгуеться, а вшьний об'ем перетворюегься в пустотш канали вздовж oci <110>. При h=l/3A утворюеться piBHOBajKHa границя. Адгезшний обвал нагадуе мартенсигне фазове перетворення ' - кооперативний зсув групи поверхневих aTOMLB в м1жчастинкову пустоту. При дальшому зближенш число м1Жчастинкових зв'языв продовжуе збшьшуватись, а енерпя центр!в кристалла цп зменшуеться.

Разом з цим з'являються короли (г^гц) вщштовхуюч! зв'язки з високою енерпею, що викликае внутршне напруження на границ!, яке зпдно принципу Ле-Ша-телье нишюе процеси, шо намагаються перевести систему в ршноважний стан. Це прояшгяеться у виникненш сили вцштовхування ! знятп напруження шляхом релаксацн внутр)шн1х аттанв кристалтв. Залежнкть енерп! границ! вщ виста ш мйк поверхнями мае типовий вигляд м1жатомного потеншалу без бар'ер1в.

Загальним принципом формування грашшь зерен можна вважати намаган-ня максимального вщновлення роз1рваних зв'язив з р1вноважного довжиною г0. Вш визначае формування зернограничних пол!едр!в 1 спшьних площин, а також дозволяе яюсно передбачити стабшыпсть Т1еУ чи шшо!" зерногранично!' структури без молекулярно-динам1чиих розрахунюв.

В §4.3 проанал13овано 1 узагальнено результати комп'ютерного моделюван-ня, показана ключова роль в1льного об'ему в форму ванн! структури ! . властивостей нер!вноважшгх границь загального типу.

Сформульовано пустот ну модель нер1вноважннх границь зерен, згшно яко! основними структурннми елеменгамн границь являються : а) пухка область з в'шьним об'емом, чи аморфний прошарок, чи пуст! псшедри; б) когез'шннй м!сток, остр1вець гарного спряжения, чи об'емноцентрований пол!едр. Модель е комбшашею моделей зб1жних вузлт, струкгурних одишшь ! остр!вково!'. Дшянки когези упод1бнюються перемичкам або мосткам М1Ж зернами. Гранищ мають склепшневу структуру (конструкц!ю), тобто складаються з цептрш когезп (кпст-юв) 1 зернограничних пустот (склепшь).На корпеть нього евщчпть принцип структурно! спадковосп, а також той факт, шо поверхш зламу мають фрактальн! атастивосп, для яких характерним е дотримання принципу самопод!бност!. Тому структура нер1вноважних границь на атомному р'.ши може нагадувати структуру границь на м!крор!шп- лаб!ринто-под!бн>' с!тку м!жчастинкових когез!йних зв'яз-юв ! пустот атомного масштабу. Це узгоджуеться з уявлешшми про те, що структура границь е ближчою до кристал!чноТ, 1Ш( до аморфно!', хоч в той же час кое-ф1шснт гранично!' дифузи В8Ь - ближче до коефщенту поверхнево!' Б,, нЬк грат-ково! дифузи. Недавно ця модель була л окладе на в основу теорп над-пластичносп.

Показано, що мик р!вноважним станом граниш зерен 1 нер!вноважним станом ф1зичного контакту двох контакгуючих поверхонь, ¡снуе великий клас не-р!вноважних границь загального типу. При змий питомого вшьного об'ему вщ оптимального до критичного у° < уг <гк енергтя границ! роздшу у ¡¡- змшюеться в межах вщ р1вноважно1 до енергн двох вшьних поверхонь уеЬ < у ¡г < 2у, . Тому енерпю ! шип властивосгп нер!вноважних границь доцшьно виражати як функщю вщ велич!ши вшьного об'ему. Можна видшити три типи стзшв: нер^вноважш стиснул уг < , р!вноважш = уД ! нер1вноважн1 розтягнуп уг > уг°. Нер!шю-важшгранищ з недостатшм вшьним об'емом уг < уг° будуть витоками ваканый 1 можуть виникати в областях стискування, в сильно навантажених вузлах тертя, тощо, а нер!вноважн1 стани з надлишковим об'емом уг >уг° - джерелами вакансий, дислокащйних петель 1 т.п.

Вшьнин об'ем границь корисно характеризувати "прихованою" площинною порувапстю. На в'щмшу в'щ звичайно!, викликано! розфваними адгезшними зв'язкаии в обласп граничних пор, "прихована" гранична поруватють викликана послабленими м1жатомшши зв'язками в обласп розсередженого вшьного об'ему. Це дае додатковий вклад в площинну поруватзсть, декогез'ио i в'язгасть границь.

Запропоновано бар'ерно-естафетну модель зернофанично! дифузи дом1шок. В результат! адсорбцп íx кониентрашя на граниш пщвишуеться. Вони слабо ди-фундують через бар'ери i тому накопичуються в обласп вшьного об'ему. Одно-часно проходить пщвишення взаемоди cerperauifi з бар'ерами. При досягненш критично! концентраш бар'ер стае проникним i домшка проскакуе через нього. 1нш! дом1ШКИ мЪк бар'ерами перекпшуються до бар'ера по вщомому естафетному мехашзму. Дифузш проходить у дв1 стадп: шкубацшний перюд накопичення кри-тичних сегрегацдй i стрибка атома через бар'ер з наступним колективним пере-мшенням решти домшок всередину вшьного об'ему. Модель дозволяе оцшити критичний po3MÍp фупи з ш атом1в в елементарному aKTi кооперативно! дифузи, виходячн з умови píbhoctí вшьного об'ему фаниш об'ему bcíx домшкошн атом\в. Для границь 1=11 i 1=33 в a-Fe, заповнених атомами олова, отримаемо m=9 i ш=14, що по порядку величини близьке до експериментальних даних; коефшент зернофанично! дифузи Dgb пор!вняно з об'емним D0 за рахунок ентрошйного члену збшьшуеться Dgb/D0 exp(m-l) i складае приблизно 310* при m=9 та 4I06 при ш=14. Коефщент в'язкосп фаниць в ixiíi модел1 визнача-еться структурою i розподшом зернофаничних пустот за формулою Tigb = kT/2/(DQ) в якш доожина дифузп приблизно дор^вшос половин"! довжини пори /, а косф!шент - коефшенту тюверхнево! дифузи D=DS. Мал1сть пор та високе значения D, обумошноютъ високу швщдасть початково! стадп сшкання.

В роздЫ 5 викладено результата дослшження атомних мехашзмш еволюци фанииь роздшу наночастинок в процесах адгезшного тертя, зносу, застрявання, атерм1чного зсуву i проковзування.

В §5.1 досл!джено атомш мехашзми адгезшного тертя, зносу i застрявання атомно-гостро! шорсткосп.Згщно з сучасним визначенням "тертя - дисипашйний процес виникнення i руйнування мехашчних i (чи) ф1зико-х1м1чних зв'язюв...", але як воно вшбуваеться на атомному píbhí до íxiei роботи залишалось невщомим. Тут вперше дано визначення i вивчено елементарш акта адгезШного тертя i зносу Повзун тертя моделювався у внпиии параболоща обертання з р1зним рад!усом. На кожному Kpoui трибосистем! надавалось достатньо часу, щоб вшрслаксувати до стабшьно"! стругаури, тому в окрем1 момента сильно! взаемоди швшшсть падала до 6-10м/с. Тим самим моделювався доел ¡дно вйомий процес прилипания -ковзання. Дослцш! даш вказують на квазцеаотичний характер с ил и тертя, тому для ü розшифрування дошльно вщдлити елементарний акт адгезшного тертя. Визначимо йога як процес утворення.стискування, розтягування i розриву одного адгезшного зв'язку притягання míx атомами шорсткосп i поверхш (рис.4).

Спмьний анал1з струкгурно-енергетичних характеристик елементарного акту адгезШного тертя на рис.4 показуе наступне. Утворення адгезшного зв'язку вихликае р1зке збшьшення (за модулем) енерга i с или адгезй, великий негатив-

ний гик в'язкосгп, внутршжьо1 1 зовшшньси сияй тертя 1 великий позитивний шк зкнщень. Розрив зв'язку е вшювшальним за падшня до нуля енергп 1 сили адгези, великий позитивний стрибок сили внутр1шнього 1 зовшшнього тертя, а роз-тягушння (стискування) зв'язку - вшпов1ано за мал1 негативш (позитивш) стрибки змшень, сили адгези, сили зовшшнього тертя,а також позигивш (негативно стрибки енергп адгези, в'язкосп 1 сили внутрчшнього тертя. Фонова змша пих характеристик пов'язана 31 зшною повноТ внутршшьсл енергп 1 структурною релаксашею.

Ф Ф <3> ® ® 0 Ф ®

1 * г *

@ @

® ® © ® ®

® ^Г ® @ ®

© Ф 19

® .у. ;§> о ф ф

Ф 9

-9-ф

МЧ)'

50

100 150

-32

7(Па с) 0.1 о -0.1 -0.2 -0.3

и(А)

4.0

3.6

3.2

2.8 1500

1000

500

0

Г (^0.8 0.4 0

-0.4

^ (X) 0.4 0

-0.4

-0.8 0

-0.2

-0.4

4 3 2

1 О

50 100 150

ЕЛ«*)

тту-

50 100 350 п

50 100 150 П

Рис.4. Елемснтарний акт адгезшного тертя в режиМ1 постшноТ висоти И=1А на п-му крощ тертя: 1 - стартова структура вольфрамового 1У-в1стря / а-Ре-поверхи1; 2 - стискування зв 'язку; 3 - розтягування зв 'язку перед розривом; 4- розрив зв 'язку;

/ ¥е - сила внутрштього / зовшшнього тертя; 1} - в 'язккть контакту; /■„ - сила адгези; Е„ - енергЫ адгези; V - швидк 'юпь вютря; й - сумарне середнъоквадратичне змщення вах атом ¡в; (п)- повне число адгезшних парних зв'язмв м1ж зернами.

При зменшенш зазору М1Ж в)стрям 1 поверхнею в даю вступають шип адгезшш зв'язки. В момента найбшьшо! взаемоди сила схвачування атому В1стря

1

з поверхнею може перевищити силу зв'язку 31 своши атомами в1стря. Це ви-кликас тимчасове прилипания 1 осадження атом ¡в на поверхш. Щ поди супро-воджуються стрибком числа адгез1йних зв'язив, енергн \ сили адгезп, а також пгантськими шками в'язкосп 1 сили тертя, когр1 на порядок впил, нЬк в елемеитарному акт1. Проте при товшиш зазору, меншш критично^ ш прилипнул атоми при дальшому руа перестрибують назад на вилря. Зносу не вщбуваеться.

Рис.5 демонструе атомний мехашзм адгез1йного зносу в режим! Ь=сопз( при товщин! зазору больше критичной Елементарний акт зносу, який можна ви-значити як осадження одного атому на поверхш, постае не просто як стрибок атома на поверхню, а як комплексний процес в'язкого гальмування. По ходу ковзання пц в!стрям виникають \ зникають ланцюжки пружиих злишень типу кроуд'юшв. При насуванн! на в и ступ, вютря захвачуе виступаючий Ре-атом поверхш 1 тягне його за собою. З'являються крнтичш стани б>фуркаци, в яш вирпиуеться подальша "доля" цих атом1в - прилипнути \'м на поверхш чи ш. В одному з таких сташв (рис.5,б) прилипнутий атом вольфраму W схвачуеться з пятьма атомами поверхш, бо його сила притягання до поверхш Г/ за рахунок розупорядковування структури глстря стас бтыиою, н1ж з своши атомами пестря Р,'. Тому податьше ковзання виклнкас розрив бьпьш слабких зв'язюв з вгстрям 1 осадження атому ^ в бшьш стабильному положены! на поверхш. Критер!ем зносу В1стря е нер1вшсть Р/ > Р,1. Захвачування в!стрям Ре-атому поверхш ! осадження \У-атому востря на поверхш викликае р1зке збшьшення числа адгез!йних зв'язюв, енергн ! сили адгезп, позитивний п!к зм!щень, а також пгаитський негативнип п!к в'язкосп, «щи внутр!шнього ! зовн!шнього тертя, шо видно на 473 крош на рис.5. Огже елементарний акт зносу за зм'.стом е комплекснйм процесом змочування, схвачуиання, перем!шування (розупорядкування) та осадження 1 обм!ну мшцями атом!в в!стря ! поверх! (упорядкування).

200 400 600 п 0 200 400 600 П

Рис.5. Атомний механам адгезшного зносу вольфрамовое УУ-шорсткост! при терт! по залянш Ре-поверхн/ в режима постШпоТ висоти Ь=0,ЗАц,. Показана структура / стрибок Ц^-атома на поверхню без (а) / з (б) прилипаниям, а також сила тертя, енергЫ адгезп / число зв 'язкш на п-му кроц/' тетря.

Рис.6 ¡дюструе атомний мехашзм адгез1йного тертя i застрявання в режим! Fo= const. При малiit cum Fn=5 иН (рис.6,6) це процес неперервного прилипания - вшлипання (перестрибувлння - перем1шування) aroMiB В1стря без зносу. Траектория руху формуе ¡зоснлове зображення поверх«! в атомно-силовому MiKpocKoni. Поверхневим долинкам вщповщають мнпмуми енергп адгезп i сили тертя, а ви-ступам - навпаки. Спостер1гаеться кореляцш негативних niKiB швидкосп.в'язкос-Ti i сили внутршшього тертя, вшповшальними за максимум« дисипаца енергп в моменти naii6uibuioi адгезшно! взаемодп.Незважаючи на пер'юдичшсть структури поверхн), перюдичшсть сили тертя спогворюеться змшою структур» i в'язким гальмуванням вктря. У випадку абсолютно жорсткого В1стря посилов! лши nepi-однчш, максимуми i MiHiMywn яких точно вщповшають поверхневим виступам i долинам вщповшно. Тертя в режим1 nocTifiiioi сили дуже чутлнве до структури Е1стря i прикладено! сили. При деяюй критичшй c>uii F0* нормальна компонента перевишус тангенцшну F0y> F0*i вштря проникае в ловерхшо (рнс.6, п). Вшшкае сильне змочування, пластичиа шшншсть i розплющутання в1стря. Це приводить до гальмування i нав1ть до тамчасово! зупинкл В1стря, тобто до застрявання (рис. 6,в). Наступна пластична деформашя шстря збшыиус число навантаженнх атом ¡в i плошу реального контакту S, тому зовшшня сила перерозподшяеться на атоми другого i третього шару В1стря - виникас додаткова сила тдштопхуюння шж

по a-Fe-noeepxHi в режимi nocmiUnoi сили при F0 = 5нН (б) i F0 = IOiiH (в); (а) - стартове положения.

прадовжуе pyx. Критерием застрявання е HepiBHicrb F0*/S>op, де <тр- межа плинносп матер1алу в1стря. В шлому мехашзм застрявання включас в'язку плин-шсгь.сплюгцування i зношування в1стря.Сила тертя i iumi характеристики в про-ueci застрявання ведуть себе бьчьш складним i хаотичним чином, ник при зношуванш на рис.5.

Рис.7 демонструе ефект фрикшйно! ештакси в npoueci адгезшного зносу при Tepri по спещальнШ граниш 1=9 в рсжиьй h=const. Прилипания атом1в викликас стльш конкуруюч! процес« - розтягування, розупорядкуванкя струк-тури вершини и!стря та ештаксшне осадження атомгв на поверни. Пкля завершального розриву в!стря на поверхш формуеться ештакайний шар атомов, що утворюють частнику зносу. Аналгзуючи адгезшш силн, можш встановитп критерш руйнування: воно наступав тод1, коли прикладена тангеншйна сила зсуву стае вище повноУ сили притягання атомгв вютря, прилипнутих до поверхш,

Узагальнюючий анал13 дозволяс запропоггувати lcpapxira мехашзмш адгезш-ного тертя. Утворення, деформац1я, розтягування i розрив адгезшних зв'язив одного атому с елемснтарним актом, з яких складаеться процес адгезшного тертя при малих навантаженнях чи велиий товщиш зазору. Повна сила тертя е сумою сил тертя окремих aroMiß. При середшх навантаженнях в даю вступають додатков! непружш ефекги - стрибки, перемгшування i осадження атомов на поверхш, що ведуть до пластично! деформаци i зносу вгстря. Елементарний акт адгез1йного зносу виникае внаслщок стльно! nii багатьох адгезшних зв'язгав i е елемен-тарною "цеглинкою", з яких складаеться адгезшне зношування. При великих крэтичних навантаженнях чи малш товгциш зазору вшбуваеться осадження багатьох атомгв, пластична деформащя i застрявання в1стря. Воно вишгкае як одночасна д!я елементарних акпв зносу i е елементарною "цеглинкою", з яких складаеться процес пгдентувашш при терть

В §5.2 досл1дасено атомний мехашзм атермгчногс зсуву по спешальнш граниш нахилу 1=9 i проковзування по двшниковгй граниш 1=3. Розрахункова KOMipKa (рис.8,а) складаеться з двох a-Fe-зерен. Нижне зерно складаеться з шести ком1рок збгжних вузлгв i мае 940 атомгв. Bei його граш, кргм площини

границ!, огочеш жорсткою манп'ею товщиною гк. Верхне зерно мае ту ж струк- . туру, що 1 нижне, але заесть жорстко! манти мае ильки одни верхшй шар над-будови товшиною гк з 252 виышх атомш. Використовувались гнучю граничш умови для верхнього зерна, що вйшовщае релаксаци при Р=соп51. Ковзна дисло-кашя в площиш (112) з вектором Бюргерса Ь=2/3<П1> вводилась шляхом вставления двох зайпих плотин гратки зернограничних зеутав з утворенням нийуса 1 наступно! релаксаци для огримання р!вноважного ятра дислокаш!'. Проиес зерно-граненого ковзання моделювався в несинхронному режлм1 шляхом прикладан-ня тангеншйно! сила зеуву ГХ~С,до всьх атом!в верхнього зерна на кожному часовому крош релаксаш! шдовж оа х коззання в напрямку <111> в плошшп граннш. Силу, прикладувану на кожний атом Р(Р* ,0,0), внзначали з умови Р* =цС445/М, де М-число иавантажених атом1в, ( - виносна напруженшеть.

Рис.8. Ефскт "фононного прогальмовування" при атерм1чному зсуз: по спещалънш границi мгж вшъною наночастинкою i закр'тленою поверхнею; (а) светлыми кружками показана структура на cmapmi, а чорними - в момент е/'дскоку; (б) залежшеть змщення центру мае верхнього зерна eid часу Ax(t) nid напружеиням Ç =2, що демон-струе коливально-поступальний рух.

Apriori передбачалось, що коли напруження зеуву перевишить деяке поро-гове значения Ç > С*, то подальший зеув п1де безперешкодно. Але зам1сть цього центр мае гпеля деякого початкового змшення периодично вшекакуе назад, тобто виникають коливання центру мае верхньо! наночастинки, яю видно на кривш Дх (t) (рис.8.б). Шсля наштовхування на "адгезШний бар'ер" тангеншйна компо-

нента сшш адгезн зростае, 1 коли вона перевшцуе силу зсуву Ра > И*, вибуваеться вшскок назад. В результат верхне зерно здшснюе коливально-поступальний рта. Напруження зсуву збушкуе вимушеш акустичш коливання пперзвукового Д1апа-зону, тобто фононш коливання. Пошбна генерашя фоношв е ефективним механизмом дисипацн енергн деформацп, тому него можна назвати ефектом "фонон-ного прогальмовування" в процеа атерм1чного зернограничного зсуву. Щоб стн-мулювати зсув на стад!) фононного гальмування, теля кожного вшскоку назад напруга зсуву збшьшувалась на величину ¡¡=0,1 С44, шо.вшповшае накопиченню пружно! енерга в кристал1. Подобно тертю, атеркичний зсув е стрибкоподюним процесом утворення, стискування, розтягування 1 розриву aдreзiйниx мш-зернових парних зв'язюв. В проиеа зсуву виникають метастабьпьш стани.в кожному з яких граннця релаксуе, в'язне 1 гальмуеться. Структура таких сташв скла-дасться в пронес зсуву 1 залежить в1д шляху ковзання, локального напруження, тощо. Тому величина енерп! актнвацн зсуву змшюеться отжс, втрачае точний зм1ст, що узгоджуеться з експериментальними даними. Под1бннй мехашзм в'язко! плинност1 характерний для метал ¡в, \ вщрпняеться в!д механтгу жорст-кого зсуву в керамиках з сшьними ковалентними зв'язками, в яких процеси релаксаци не настшьки ютотш, а структура поверхонь при зсув1 практично не змшюеться. Як 1 на рис.7 сиостер1гаеться еттакайпе осадження атомов, енерга зв'язку яких з нижшм зерном стае вищою, нж 31 своЫ зерном, так то шощина ковзання перем1шуеться в сусшню атом!гу площину. Под1бний перехщ можна розглядати як елементарний акт суироводжуючо! М1граци границ! при й сум!Шому проковзувант 1 м1граш1.

На рис.9 показаний мехашзм проковзування зерногранично! дислокдцп.

0 2 4 6

Рис.9. Атомный механим проковзування зернограничноI дислокацй Ь=1/3<112> по двшниковш границ/ / змщення центру мае верхнього зерна Ах(1) при напруженнях зсуву £=0,05; 0,1; 0,2 I 0,5.Пунктиром показано модуль вектора Бюргерса Ь=0,114нм

Залежшсть "змицення-час" для р1зних напружень показуе, то проковзування на вектор Бюргерса пройшло тглькн при (¡'=0,5. Це напруження значно вище бар'е-ра Пайерлса, що пояснюеться змшненням наночастинок 1 вщсутшстю пружних пол1в навколо дислокаин в наночастннках, проте воно вдтч! менше теоретичного напруження атерьпчного зсуву.

Е_рОЗДШ_6 приведено результата комп'ютерного моделювання процеЫв наноншентування, удару 1 комлактування наночастинок.

В §6.1 дослшжено формувашш адгезивного а-Ре-контакту при нанопиенту-вашп поверхнево! шорсткосп (вктря) I и руйнування при розтягуванш.Ш модель контакту е типовнм внпадком взаемодц реальних поверхонь при компактуванш.

Атомно-гостра а-Ре-шорстгасть моделювалась у вигляд1 параболо'ща обертап-ня рад>усом 0,7А 1 2А, 1 вм1щувала 78 1 290 атсжйв вшповшно. Два верхи ¡х шари в1стря жорстко закр1плювались, моделюючи тим самим жорсткий кристалл чи кронштейн. Нижшй а-Ре кристалл моделювлвся \ вигляд! куба з гранями (100) 1 вм!щував в и 474 до 951 атома. Процес ¡ндентування 1 розтягування моделювався в режш.п молекулярно! статики шляхом перемещения в'1стря з кроком Ду по нор-мал» до поверхш 1 в1д не!'. На старт) исгря перем1щувалось з швидыстю у=1430 м/с, а шеля початку взаемоди з поверхнею воно р1зко гальмувалось до 10м/с.

Результат!) наноищентування показаж на рис.10.

О ¡00 2 00 300 4 00 о

1 О 9 0 О О » • • • 1 » • * » • • •

ОООООООО

Э • С ' О' о о о о о о • ♦ • • »»»»••

, В1 0 О 'С — о с о о о « « » » 1 • • О •/V 4 • о*

л

Пас

v м/с

5 О -5 •10 -15 -20 -25

70 60 50 40 30 20 10 1500

1000

500

О

-500

. .1 ,

. 1 ч г

J уЧ

А • * —«ГТГЙ

100 200 300 400

100

еВ/А 80

Ьй

40

20

0

-20

Е., 0

сВ -10

-20

-30

-40

-50

100 £0 60 ■40 20 • 0

О 100 200 3 00 4 00 П

0 100 200 300 400 11

Рис.10. Атомна структура,функцЫ радиального розподыу та чиселып характеристики на п крощ ¡ндентування Ре-шорсткост/ рад/усом И-0,7/1 в Ре-поверхню (100) (кроки 1 -210) /' наступного розвантаження (кроки 211-420): 1)початковий стан; 2) пластична деформацш контакту на 210 крощ навантаження; 3)утворення "шийки" при розривI контакту на 420 кроц1 розвантаження; у - швидкктъ ковзання, й - сума середньокеадратичних змщень вса атом'ш,т] - в'язккть контакту,-число адгезш-них зв'язк1в,Еа -енергш адгези,Ра - сила адгези.Стр'тка показуе напрямок руху вктря

Т

N

Перебудова структура в цьому процес1 аналопчна формуванню гранинь при наближенш контактуючих поверхонь. Але наявшсть в1стря викликае аш-зотрошю поля деформаци поверхш. В кшцевому положенш - на 210 крош збли-ження - В1стря повинно було б проникнути на одну постшну гратки всередину кристалу. Замють пього проходить змочування атомш на кшчику в1стря,внасл1док чого воно деформуеться 1 розплюшуеться. Деякз атоми вютря 1 поверхш перем1-шуються. Утворюеться сильно розупорядкована область контакту (рис.10, малю-нок 2). При розвантаженш теля 210 кроку кристал'иша.гратка В1стря спочатку насичуеться вакациями, ям утворились в результат! ссадження частини атом1в в1стря на поверхнк На р1вш третього шару з'являеться вакансшна тродина I "наношийка" з деюлькох атом1в, що зв'язуе вютря з поверхнею. Дал1 шийка зву-жуеться 1 аморф1зуеться. На 361 крош вшбуваеться розрив в1стря - атоми пер-шого 1 другого шару осаджуються на поверхш, а третього шару навпаки -притягуються до кронштейну. Результуюча атомна структура нагадуе "чашечки" в'язкого руйнування пластичних матсрктл'ш на електронно-кйкроскошчних зшмках. Це вказуе на под1бшсть в'язкого руйнування на кпкро- 1 наноршнях. Анал1з рис.10 показуе асиметрш вс!.х чиселышх характеристик (Ыа, Еа, Ба) при наближенш (кроки 1-210) 1 наступному розтягуванш (кроки 211-420). Це -явище пстерезису, яке обумоатене незворотною змшою структури - прилипаниям атомов в1стря до поверхш при роз'сднанш. Потеншальна енерпя взаемодп в1стря з поверхнею Е(1т) вже не мае вигляду типоео! потеишалыю! криво!. Адге-31йна сила вшштовхування при наближенш зм'шюеться на силу притягування при роз'еднанш. В'язгасть контакту при навантаженш негативна, при розтягуванш - позитивна. Миттева твердють осцилюе б1ля нуля як при зближенш, так 1 при розтягуванш. На 160 крош число зв'язив рЬко зростае, що викликае стрибок вс1х чисельних характеристик. Площа контакту 1 енерпя зв'яз-ку зб1лыиуеться, сила виштовхування падае за рахунок включения додаткових сил притягування, вин:1кае позитивний шк зм1щень 1 негативний шк в'язкость На 361 крош утворення шийки 1 розрив В1стря викликае негативний шк когезш-них сил 1 позитивний гак в'язкостг

Рис.11 показуе атомний мехашзм пластично! деформаци кроудшного типу,запро-понований 1нденбомом,при нанотаентувзнш скгря з бшышш рад>усом И= 2А.

^О О О О О 0 0 о о о о

» « « • • • • г.тМ-.--, * * * ® »ч*.Т ® ' • е » / у 7» ® •

»••••»•о з * • 1 1 1 » • с > • • 9 ^ Ф 4 • • 9 2*2*2 * • ) • з • ^ » • 7 И• ' • т1т1т ® • • 1 Ф 4 ? 1 с* • ( • • о 4 о * о * • • « < • « 4 ® * • в ^ § • • 1

«••••••о 0***«»*0 0*«««*«0 э*««««««с ♦ • « 1 • «

ОООООООО -ллпплллл % Л Г, ГУ л п л л г г. п п п 1

Рис.11. Кроудшний механизм пластично/" деформаци при тдентуванш Ре-наношорст-кост1 рад1усом Л=2А в Ре-поверхню (100): 1 - стартова конфкурацЫ; 2 - вигинання верхних шар:в поверх/!/ в момент утворення адгезшних зв 'язк1в; 3- утворення на 168 кроцг шдентування симетричних змщень в напрямках <111> /' поверхневих вистутв по периметру контактноI "шийки" (кроудшнш); 4 - те ж, що / 3, але на 210 кроци

Бшьш товсте вютря при ¡ндентувашп дефор^еться менше i вже не розплющу-еться, а занурюеться в поверхню. Пш ¡ндентором утворюсться характерна для кроудюшп симетрична структура агомних змщень - вщ ядра деформацп nia ш-дентором змшення розходяться у Bcix восьми напрямках типу <111>, що nia-тверджуе кроудшну структуру ядра, деформацп nia ¡ндентором. Розповсюдження кроудюшв гальмуеться жорсткою мантаю i приводить до утворення вистушв при вгооди на в1льну поверхню (рис.11, малюнок 3). При дальшому зануренш площа адгезшного контакту i число кроудюшв п1д ¡ндентором зб1чьшуеться. Виступи перем!щуються на поверхнi в¿д центру ишеитувания.

Експерименти на рис.10 i 11 з разними рад1усами вштря показують ¡снуван-ня po3Mipnoro ефекту при шдентуванш - атомно-гостре В1стря дефсрмуеться за рахунок змочування атом1в на юнчику в'1стря, а б'ыьш грубе в'югря проникае в поверхню, викликаючи и пластичну деформашю по кроудшному мехашзму. Критичний розм1р рад1усу вктря визначаеться сшввщношенням сили адгези з поверхнею до сили адгези 3i своею граткою для атом in на кшчику В1стря. Цей розм1рний ефект знемшнення нанометрового масштабу, що виклнканий змочу-ваншш, мае протилежний знак в nopiBwmrri з ефектом Мшьмана - змшненням твердого в1стря при зменшенш його paaiyca з «¡кроскошчного до нанометрового масштабу, викликаний утруднешшм генераuiï дислокаций.

Результати по нан01ндентуванню уможливили розвинуги адгез1Гпгу модель Гарбера для SD-ефекту, згцщо з якою межа iuihhhoctï визначаеться напруженням зернограшгчного зсуву, яке розглядаеться як сума сил сухого тертя та адгсзп. Отримано анал1тичний пираз для параметра SD-ефекту

Csn = (2N+F,1 +Fac ) / (N+F,c ) • 100% 2, ' (12)

де F,c i F,1 e значения сили адгези при стискуванш i розтягуванш, шо входять вщповщно 3i знаком плюс i мигу с, N- нормальна сила навзнтаження. Поставивши середш значения сили адгези в чотирьох комп'ютерних експериментах ( F,c=38.72, F,l=-16.96, F2C= 4.91, F2l=-9.14, F3C=41.2, Fj^-17.0, F*c= 3.02, F4—-UI (eB/0) ) в (12), при N=0 отримаемо алгез1йний вклад в величину SD-ефекту в 1-4 випадках: Çsdi=5(>%, Çsd2=-86%, ÇSD3=59%, ÇSD4=53% в'цшовщно. Ц1 значения близью до експериментальних, з чого витткае, шо величина SD-ефекту визначаеться сшввшношенням сил адгези i навантаження, а також пропоршйна величию лстерезису сили адгези.

В § 6.2 дослщжено непружний удар вшьних наночастинок, шо виникае в процесах динам1чного компактування i механосинтезу. Рис.12 показуе результати моделювання в режтн молекулярно!' статики. Видно, шо теля адгезшного обвалу наступають строго перюдичш коливання енерги i сили адгсзи, змщень i в'язкосп. Центри мае обох частинок ксшиваються в протифаз1 з лперзвуковою частотою 1ТГц. Пром1жок м!ж частниками осичлюе. Цей коливально-поступаль-ний рух динам1чно спйкий i може продовжуватися довго. Под1бш коливання виникають i при ударному розтягуванш контакту наночастинок. Пщкреслимо, що частота коливань з одного боку мае зменшуватись як v ос m'1/7 при збшьшенш маси m (po3Mipy) частинок (дисперсности порошюв), а з другого - збшьшуватися при зростанш реально! iuiomi контакту як v ос S1/2. 3 цього випливае, що для а-

Ре-частинок розкиром <1 > ЮОнм частота коливань зменшиться 1 попаде в ультра-звуковий даапазон. Щкаво вщмтгги, що коливальш змщення вах атом!в майже однаков1. Огже, сила тиску при удар! 1 сила тяги при розтягуванш передаеться через контакт зразу вам атомам частинки-мшеш. 1ншими словами нано-частинка, пошбно рщиш, передае напруження деформаци за законом Паскаля. Це е атом1стичним обгрунтуванням вщомого доел ¡дм ого факту, що систем! в!бруючих порошив притаманн! властивосп рщини.

Рис.12. Конф1гурацЫ частинок в пл.(100), змицашя (сенплий кружок nid темним -стартове положения), коливання центров мае кул1 Дус1 i tiiuiciri Дус2> суми середньо-квадратичних змщень ecix amoMie u / силы адгезИ F, lia п кроц! релаксаци, що пока-зують адгезШио-осциляцШний ефект при непружному yôapi наиочастшюк в несинхронному режим! з середнъою швидкктю v«0.006\,.Стртка показуе напрямок удару.

На рис. 13-15 показано результат моделювання компактування наночасти-нок в синхронному .режю.й молекулярно! динамш1 без дисипаци енерги при pi3-них швидкостях удару. Для кал!брування програм в тестових експериментах ви-вчались нормальш коливання в наночастинш розмфом 4А х 8А х 4А, що збуджу-вались шляхом одного початкового поштовху- повздовжнього змщення вниз Bcix атом1в верхнього шару кристаллу на величину Ду=0,01А. В результат релаксацц пружна хвиля поширюеться i вшбиваеться вш стшок кристалпу, що видно на flicruieï. Перед моделюванням удару дв! наночастинки розташовувались на вшета-HÏ Ь=1.5А,що перевищуе paniyc да потеншалу. Внаслщок релаксацц общим мають дещо д1жкоподабну форму. Фушош радального розподшу показуе розмитгя пер-nioï i друто! координащйних сфер, характерного для нанокристашчного стану.

Рис.13 демонструе коливальний мехашзм ударного компактування нано-частинок з nopiBHduo невеликою щвидгастю v=0.024v„ v=5850 м/с - поздовжня швидысть звуку. В момент часу t=lnc проходить адгезшний обвал - рике збли-ження i з'еднання частинок в одну, що супроводжуеться р1зким збшьшенням енергц i с ил и адгезц". Шсля цього в частинш збуджуються акустичш коливання. 1нтерференщя падаючих i вщбитих хвиль приводить до виникнення стоячих поз-довжних хвиль, яы добре видно по змин форми частинок в pi3Hi момента часу

на рис. 13; Функшя рашального розподшу показуе що дальни! порядок i криста-д1чна структура збер1гаеться протягом всього пронесу. Координата центр1в мае час-тинки- кул i i частинки-М1шен1 коливаються в протифаз! з амплитудою в 5 •раз1в вишою за амплпуду коливань епшьного центру мае обох частинок, то коливаеться з частотою v= О.бТГц. Цю ж величину показуе i спектрально-часова ,д1аграма, а також анагнтичш розрахунки в моделях Телена, нашзвшкритого резонатора i за теорию пружность Апмшитудний спектр показуе, що KpiM nici ochobhoí моди генеруються кратш частоти ( 1.2ТГц, 1.8ТГц , 2.4ТГц) меншо'1 imencimnocTi, але" Süibuio'i амгштуди (=0.1нм). Це оптичт колнвання окремих aTOMiB на граниш контакту i поверхш частинок, що вцшовшальш за тки контактного тиску i сприймаються як плавления поверхнк Таю1М чином, енерпя удару викликае генерашю пперзвукових акустичних поздовжних коливань. Шки контактного тиску досягають 30 ГПа, що менше модуля зеуву 16ГПа, тому пластична деформация' не спостер'наеться. Таке високе значения напрут плшшосп зв'язане 3i згадуваннм ефектом змшнення наночастинок.

2 4 6 в 10 t,nc

0 1 2 J 4 5 в V.TlU

4 5 6 7 8 t, ПС

Рис. 13. Коливання частинок при непружному удар/' з/ швидкктю V-]43м/с в синхронному режимI. Показан! зншки перериз!в наночастинок в площиш (100) в рш! моменти удару, що демонструють адгезшний обвал (м1ж 1=1.1 пс / ¡=1.2 пс), утво-рення стоячих хвилъ, осциляцт форми частинок / розмиття функци рад 'юлъного роз-подыу Щг), а також коливання енерги адгез 'п (Е„) / центр'ш мае кул! (у^ / мтет (у2 ); &(у) - амплтудний спектр, у(г) - спектрально-часова д/аграма коливань центру мае мшен! (зачернена смуга в1дпов!дае стшкШ коливальнш мод! у=0,б ТГц)-

Рис. 14 демонструе коливальний мехашзм ударного компактування наночас-тннок з докритичною швидиспо у= 1430м/с, р1вною 1/4 швидкосп звуку в Ре. Процес прискорюеться - адгезшний обвал I злиття частннок в одну проходить в момент 1= 0.2 пс. При I—0.4 пс кристашт приймае Д1жкопошбну, а при 1—0.8пс -вазопод1бну форму. Сшльний анагиз зм'ши конф1гурацп частинок \ функш! радд-ального розподшу протягом процесу удару показуе.що на вшмшу вщ попередньо-го випадку, починаючи з 1= 4пс сильш коливання поверх^ переходять в пластичну деформащю 1 аморф1зашю наночастинок, осильки ¡мпульсний контактний тиск (Р^ббГПа) приблнзно р1вний модулю зсуву (=77ГПа). Два розшеплених шки функип рад]ального розподшу зливаються в один, вщбувлеться перешшування поверхневих 1 об'емних атом1В. Коливання енергп адгези 1 ¡нших характеристик швидко затухають через аморф1зацш 1 дисперст хвиль. Цей ефект показуе 1 спектрально-часова щаграма - в момент часу 1=6.5 пс, коли настае аморф^защя вЫе! частинкн, домшуючий ритм 0.6 ТГц обриваеться, тобто коливання заюн-чуютъся. 3 цього моменту енерпя удару йде не на коливання, а на пере\ишуван-ня атом1в, аморфЬашю « пластичну деформашю.

! I-Опс| |1:-(12пс| . 104пс| |1-0.Впс| [мбпс!

• • • 1 ... .1 • « • • • • • • • « ♦ • • « • • • • V • •

.... • • • • • • •

У-ЫЗОпЛ 1 пт

(!!? ■

1*2 пс| 1 1-4пс| | г-бпс| 1 1°8 пс| |1°10пс|

г, пс 1, пс

Рис.14. Коливальний механам динамЫного компактування наночастинок. Показаш зншки ¡х перериз!в в рим моменты удару з/ швидкктю v=0.24vJ, що демонструютъ затухания / переход коливань (1=0.4-4.0 пс ) в пластичну деформащю / аморфиацт (1-4.0-6 пс).

Рис.15 демонструе атомний мехашзм руйиуваиия наночастинок шляхом створення 1 вибивання ос колю в при компактуванш з надкритичними швидкостя-ми у=0.27у„ 0.2<Н', 1 0.37у,. Попередн1'й випадок е докритичним - достатньо невеликого збшыиення швидкосп удару, як гаковий контактний тиск досягае 150-250 ГПа 1 перевишуе теоретичну межу мщносп, в результат! чого наступас руйнуван-ня наночастинок. Видно, що при швидкосп 0.27v¡ з зони контакту вшитають ок-рем1 атоми, при швидкосп 0.29у, - атом;« кластери, а при швидкосп 0.37%', I бшь-ше наночастинка разопваеться на окрем атоми, минаючи стадн коливань 1 аморф1злци.

V- 0.27 Vs |t=inc v= 0.29 Vs I t=inc

т • • • • • • *

• • • •

• • •

• • • • • • • • •

Va 0.37 Vs |t=inc

»«i *

«

Puc.IS. Amomuü меха/н'зм ударного руйиуваиия наночастинок при динамичному ком-пактувашп. Показанi зшмки переризт наночастинок в момент часу t= 1 пс удару з PÍ3HUMU надкритичними швидкостями v > 0.24v, .

Таким чином, при yaapi генеруються гтерзвуков1 акустичш i оптичш коли-вання, яга приводять до компактування наночастинок. Мехашзм ударно! взасмо-дп наночастинок залежлть в\л швидкосп удару чи контактного тиску. При швидкостях, значно мешшгх швидкосп релаксацп (звуку) v<<v, напруження удару встигае вшрелаксувати, тому коливалышй стан спикий i пластично! деформаци не вщбуваеться. При больших швидкостях v=l/4v, шковий контактний тиск досягае величини модуля зеуву, що викликае локальну аморф!зашю частинок шляхом деформашйного перем1шування поверхневих атом i п з об'ем-шшн. Пер'юдичшсть гратки порушуеться, що зумовлюе р!зке затухания генеругочих коливань. Виникае нелшйний ефект 3míhh мехатзму дисипацп енерги деформаци. Енерпя коливань окремих аттапв пщвищуеться i стае достатньою для появи пластично! деформаци, аморф1зацп i руйнування наночастинок. На по/йбних моделях можна вщпрацьовувата режими дтшпчного компактування p¡3Hitx наночастинок, фазов1 i структурш перетворення в залежносп вй швидкосп i схеми удару, складу i конф1гураци частинок, ■ а також моделювати 1мпульсний i ульразвуковий вплив.

В §6.3 доол!джено атом^стичний мехашзм пперзвуково! резонансно! активацп динам1чного компактування наночастинок.

Моделювався сшвудар двох вшьних a-Fe-наночастинок в синхронному режим з швидюспо v=0.024v,. Для iMvmui наношорсткосп налпаюча частника (куля) вибрана в форм1 бжлина, що вмнцуе 379 ütomíb, а йгша (мшень)- форму паралелешпеда p03Mip0M 4А х 12А х 4А, що вмицуе 517 атомов (рис.16).

Ультразвуком дш моделювалась коливальним змшснням ес1.ч атомш мшеш по \-oci удару 11^= А^п^К+Э/Т], де Ау -амшитуда, Т=1Д - пср|од, £ - фаза коли-вань, I - час. Амгинтуаа розраховувадась за законом Гука А = 1Р/Е. де 1=4Ау -товщина мшеш, Е - модуль Юнга мшеш, Р=Еу/У1=5 ГПа - звуковий тиск.

Результата удару шорстигх наночастинок показан! на рлс.16. В початковий момент часу (и=1пс) енерпя адгезп зростае за модулем з 6 еВ до 1 ЗеВ. Обидва В1стря б!клина пшдаються невеликим пшпасовуючим обгртанням на кут -5° в протилежних напрямках з утворенням адгез1йни.\ контакт. Це вщома роташйна мола деформацн. В подальшому вибунаються коливаикя величини енерги 1 сиди адгези, а також центов мае обох частинок. При цьому структура адгезшного контакту не змтюеться.

1

0 2 4 6 8 10 1,пс 0 2 4 6 8 10 1,пс

Рис. 16. Коливалышй мехатзм удару чаетинки-б!клина с кубЫною лишению, коли-вання центров мае кул/ Аус), мшеш Дуг3 (' обох частинок Ду, , енерги Ес I сили /"„ адгези. Темними / свшпими кружками показам атоми Ре двох внутршна площип (100) наночастинок. Страка показуе напрямок удару.

На рис.17 показан! результата удару тих же наночастинок за тих же умов, але при ди на чаепшку-мшень пперзвуку з частотою \=1/3 Тгц, фазою пс 1 алтлпудою Ау=0.1А . Частота ! фаза вибраш так, шоб в початковий момент гшерзвук був в резонанс! з ударними коливаннями друго! частинки.

Ефект пперзвуково! резонансно! активаш! добре видно по змш! енерп! адгезп - при 1а7.5 пс вона рико збшьшуеться (за модулем) з -13 еВ до -45 еВ. При цьо^ змшюеться ауомна структура адгезшного контакту - внаслщок змочування 1 роташйно! пластично! деформаий збйашуеться число адгезшних зв'язгав 1 площа контакту. Дентри мае частинок зближуються - вщбуваеться усадка. Важливо бщмутиги, що при зм1т фази на протилежну (^=1пс) умова резонансу порушуеться \ ефекту пперзвуково! акгиваци динам1чного компактування не спостер!гаеться. Ефект шеутнш 1 у випадку, коли швщпасть удару р^вна нулю.

V,.......... • ..........•

• • » & о с 0 О в • О , с о » ® # * 0 ® в в О Ов°* • * • •

•"•"Ч^,^.'. ИОВ) •„• {=16пс„°.°

ОвооввРв«»Ов«» ООО ОООООООС«

Еа (сВ)

О -10 -20 -30 -40 -50

О

зо

V)

О

-1С

-20

4 8 12 16 1,ПС

16 1,ПС

Рис. 17. Ефект г'терзвуково! активащ динамЫного компактування наночастипок, показаного на рис. 16. Показана зм'та атомноI структури адгезшного контакту, енерги Еа / сини Ес адггзП при гтерзвукових колчваннях мш/ои з/ змщенням иу (I), напрямок якого показано подвшно строкою. Решта позначень та ж, що / на рис.16.

атом1Стичш уявлення про структуру ! еволюшю гранниь, отрнмаж в попсредшх роздитх, розвинуто на мпсро- 1 макрор!вн! з зллученням уявлень з теори фрактал1В 1 перколяци.

В §7.1 отрнмана фракталька поправка до м!цност1 в модсл! Гр1фф1тса з врахуванняи атомно! шорсткост! поверхш руйнування. Припускасться, що для крнстал1В 1«гуе ннжня межа застосування фрактально!' модели р1вна не розм1ру зерна (1, а параметру кристально! гратки А. Слгвставляючн фракталы{у дозжину ламано! лини Ьг з довжиною тр!щиии "по прямш" в модел1 Гр1фф1тса, у в!д-повшносп з теор1ею фрактал1в можно записати вираз для ефективно! довжннн •гршини Ьг =!_,, (Ь2 /А)0"'. Ф1зично це означас врахування не тьпьки мисроско-шчно!, але 1 атомно! шорсткосп висотндексних фасетованих поверхонь руйнування. Атомна шорстысть зьйнюе -ильки лонерхнепу енерпю I не позначасться на пружнш. Тому у вираз! для поверхнево! енерги слш п'шставити фрактальну довжину тр!шини Ьг зам!сть пМфф'ггавсько!" Ц,. В результат! отрнмуеться фрактальний вираз для меж! мщносл на розрив

аг=о8Г1/2, (13)

який вщизняеться вщ класичного ае фракгальним множником

Г=Б(Ц/А)0-' = О^0'1 , (14)

де = Ц, /А - довжина трвдини "по прямиТ', Б - фрактальна розм!ршсть.

Анал1з показуе, що фрактальний множник точно р1вний показнику нер!виост1 у =Г у вираз! для в'язкосп руйнування С1С= 2уу,. 3 цього видно, що збшьшуючи шорстюсть розкрито!' тр1шини можна значно зб1льшити мщшсть 1 в'язысть руйнування. Наприклад, для деформованого мол!бдену згщно з експериментальними даними d=300нм 1 0=1.45, так що в'язюсть руйнування може бути зб1льшена в ^ 29, а при 0=1.2 - в Г= 4.8 раз. Табл.2 демонструе

задовшьну кореляцш розрахованих зкачень для вщношення в'язкосп руйнування зубчато! (шорсткоТ) 1 гладко! граничь у пор1внянш з експериментальними даними Танаки для жаростшких сталей. Це вщношення р1вне С^^^С^О,) = де ДО= -Б, - р1зниця фракгальних роз.\прпостей шорстко! 4

гладко! границь.

Таблиця 2. Поргвняння розрахованого / експерименталъного в/дношения е 'язкоспи

руйнування шорстко1 > гладко/ гранииь зерен в жаросгтйких сталях

Сплав о (Мпа) о2 ДО (Г>2) / в,, (О,), % теор. експ

1.-605 11« 1.155 0.031 159596 1.5 1.2

1псопе1-750 29.4 1.087 0.047 2602865 2.1 2.5

21Сг-4№-9Мп 196 1.142 0.122 57846 4.3 4.0

3 отриманнх результапв випкас практичний внсновок про те, що для пшви-шення ударно! в'язкосп крихких твердих т1п, необхщно намагатися максимально збшьшувати шорсткость поверхш руйнування на м)кроскотчному, мезоскошч-ному I атомному р1вн1. 3 шею метою, наприклад, треба гогувати дисперийш включения р1зних розм1р1в - вщ мкроскошчних до ультрадисперсних, використовуючн при цьому р1зну швидисть випздашш резких фаз.

В §7.2 розвинуга перколяшйно-когезшна модель псшкристалу як зерно-граничного каркасу, що грунтуюеться на пустотшй модел1 границь, запропонова-шб в §4.3. З'еднавши центри мае окремих зерен м1ж собою, пол1кристал можна уявити як каркас границь зерен, який можна розглядати як перколяшйний кластер. Показано, що мехашчш властивоси пол1кристалу можна виразити окремо через: 1) адгезШш властивосп М1жзеренних границь 1 2) перколяшйш властивост! зернограничного каркасу-. Роль вузл1в перколяшйно! атки вшграють сам! зерна М1цшстю Е (модуль Юнга), а роль зв'языв - граниш з мщшетю Властивосп перколяшйно! С1тки описуються деякою перколяшйною функшею вщ частки роз!рваних зв'язшв К(х), так що мщшеть перколяшйного каркасу границь можна записати як

о(х)= о^- К(х) (15)

Визначено наближений вигляд функцн К(х) для плоско! квадратно! атки у припущенш що рвугься ттльки зв'язки (граниш), а не вузли (зерна), тобто Е » аа , причому ВС1 границ! р!вном1ШП с^сопэГ Анал1з ше! залежностг показуе, що: 1) при х/хс=1/2 вона перетворюегься в залежшеть М1шюсгп вщ розм1ру зерна у вигляш функци Стро оц- ос сГ1/2 ; 2) порц перколяцй зв'язаний з фракгальною розм1ршстю; 3) залежшеть мехашчних властивостей вщ розм^ру зерна в теорп перколяцй можна зв'язати з залежшетю порогу перколяцй вщ розм1ру кластера. Розвинуп уявлення узгоджуються з шеями Ватанабе, що зв'язують мйсро-скошчний 1 атомний р1вш опису штеркристалггного руйнування через характе-ристичний розподол границь зерен.

ЗАГАЛЬШ ВИСНОВКИ ДИСЕРТАЩЙНОК РОБОТИ

1. Розроблено нону методику обчислення адгезШши м^жповерхневих м1жатомних зв'язгав i комплекс комп'ютерних програм СЩЕМ/АСМ1ТСК, яы дозволяють розрахувати енергио адгези.силу тертя i íhuií чисельш характеристики контактних явит синхронно з перетворенням атомно! структури контакту. Це дало можли-Bicn. пшнятися на яюсно новий ршень дослшжень i перейти в1д моделювання окремих дефекпв до моделювання атомних мехашзм!в pi3wix контактних явит та граничних npouecie, таких як наноищентування, зсув, удар, тертя, зношування i компакгування. Тому чимало результапв одержано вперше. Достов1рн1сть одержаних результате витпсае з ix узгодження з експериментальними даними, кнуючими уявленнями та результатами шших дослиниюв.

2. Парнопотенщальне наближення в теopii' твердого riña розвинуго на випадок перехшних ОЦК-метал1в, сполук i фаз втшення. Сконструйовано ряд нових мЬк-атомних потенщал1в для ОЦК-перехшик метал1в, в тому числи

а) емшричний парний р1вноважлий сплайн-потеншал, шо сприйняв xpaiui риси попередшх емшричних потенщал1в (П2, П19);

б) нелокальний потеншал, в якому нецентральний член внражеио через елек -тронний параметр Грюнайзена, питому теплоемшсть елекгронного газу, коеф!-шент теплового розширення, нев'язку Komi, i який забезпечус мсхашчну ста-бшьшсть ОЦК-гратки та точш значения енергц зв'язку i пружних сталих (П42);

в) нелокальний поверхневий потеншал для a-Fe, який kp'im попередньх власти-востей забезпечуЕ релаксашю першого шару поверх«) (100) всередину кристалу, виконання закону теплового розширення (П63,П64), шо е наслшком зменшен-ня стискуючо! züí тиску елекгронного газу Komi i супутнього збыьшення не-скомпенсованосп парнях сил з температурою;

г) мйкатомш потеншали для р4зних фаз системн Cr-N : твердого розчину, гексагонально! i Ky6i4H0'i фази з врахуванням роздшьного вкладу в ¡л взасмодн атом i в метал - метал, метал-неметал i нелокальних сил в енерпю атом1зацН;

д) крихысть ОЦК-перехшних метал!В по Mipi зменшення об'емного вкладу в енерпю зв'язку зростае в ряду Nb- Та- V- Мо- W- Fe- Сг ; запропоновано формулу для ошнки природного вкладу гратки в температуру холодноламкосп.

3. Змодельовано процес формування слешально'1,двшниково1 i близько!' до загально! границ! зерен з двох невзаемод1ючих поверхонь. Розраховано структурно-енергетичп характеристики м^жчастинкових поверхонь (112), (114), (158) при зближенш. Показано, шо:

а) при критичнш вщсташ h г rk наступае p¡3Ke зближення поверхонь- адгезш-ний обвал;

б) загальним принципом-утворення гранищ зерен е намагання максимального вщновлення роз]рваних р1вноважних зв'язгав;

в) м1ж р1вноважним станом гранищ зерен i р1вноважним станом двох вшьних поверхонь ¡снуе ряд нер^вноважних границь загального типу, зокрема, при 3míhí вшьного об'ему вщ р1вноважного до критичного vf°< vf <rk, енерпя гранищ зм1-нюеться в межах вЦ ршноважно! до енергц двох вшьних поверхонь, ygb< ta <2у,.

4. Запропоновано пустотну модель нер^вноважних границь загального типу, згщ-но якш в крихких матер1алах граниая складаеться з адгез1йннх "М1стк1в", переми-чок 1 пустот М1Ж ними. Введено уявлення про "прнховану" зернограничну порува-■псть, обумовлену послабленими мьжатомними зв'яками в зош розсередженого вшьного об'ему, яка разом з звичайною площинною поруваттстю, обумовлену роз1рваними мскатомними зв'яками в пустотах, визначае зашгжену мшшсть ! пшвищену в'язюсть границь.

5. Дослщжено атомш мехашзми процеав адгезшного тертя, зносу 1 застрявання в режимах постшного зазору 1 постшно! сили навантаження. Введено уявлення про елсментарний акт адгезшного тертя - створення, стискування, розтягування в розрив одиничного адгез1йного зв'язку М1Ж атомами шорсткосп \ поверхш. Встановлено кореляшю змши сили тертя 1 структури контакту. Показано, шо:

а) характер сили тертя не е кваз1хаотичним, а строго детермшований - мал1 шки (спектральний шум) викликаш стискуванням ! розтягуванням адгезншнх зв'язюв, ьелны - !х утворенням 1 розривом, а пгантсью - упорядкуванням атомно! структури фрикшйного контакту;

б) квазшерюдичний характер сили тертя визначасться перюдичною структурою поверхш - поверхневим датинам (виступам) вшповиають максимуми (минмуми)

числа адгезшшгх зв'языв, нормально! сили алгсзг!, миамуми (максимуми) сперта адгеза 5 тангенщйно! сили адгезн, а перюдичнють змши сили тертя пору-шуеться фрикцшними перетвореннями структури в1стря;

в) в режтп постШно! сили, тертя визначасться сшввщношенням сили локального навантаження з межею плинносгп В1стря. При досягненш критично! сили виникае застрявання в1стря, яке включае змочування, в'язку плишпсть, плас-тичну деформашю 1 стирання;

д) атомний мехашзм адге31Йного зносу складаеться з1 змочування, персм1щення, перем1Шування, перескоку 1 упорядкування атом!Б, що завершуеться ештаксш-ним осадженням атома в1стря на поверхгп. Критер!ем адгезшного зносу служить сшввщношення сил зв'язку граничного атома з вютрям 1 пшкладкою.

6. Змодельовано атерм^чннй зсув 1 проковзування по спешальнш граниш нахилу. Вивчено атомний мехашзм перетворення енерп! зсуву в пперзвуков1 фононш коливання ("фононне прогальмовування"). При ковзанш спостер1гаеться ештак-сшний мехашзм супутньо! м1граца граниш 1 формування метастабшьних сташв, в яких зерно в'язне 1 гальмуеться.

7.3модельовано процес нано^ндентування. Дослщжено кроудшний мехашзм пластично! деформацИ атомно-гострого металевого в1стря при ¡ндентуванш 1 атомний мехашзм в'язкого руйнування утвореного адгез1Йного контакту при наступному розтягуваннк Проанал13ована кореляшя структурних перетворень 31 змшою числа адгезШних зв'язюв, в'язкосп контакту, енерп! 4 сили адгези. Кр1м характерного для нанокристатчного стану ефекту зм1цнення, для мал их наночастинок атомних розм1р1в мае М1сце 1 ефект знемщнення, викликаний змочуванням. Розвинуто адгезшну модель ЗО-ефекту.

8. Змодельовано непружний удар наночастинок. Дослщжено мехашзм генерацп в шк пперзвукових фононних коливань 1 виникнення динам1чно спйкого в!бро-

поступального руху. Показано, що наночастинки подзбно рщиш перелагать на-вантаження деформаци через адгезиший контакт за законом Паскаля.

9. Запропоновано коливальний мехашзм динамичного компактування нано-частинок. Показано, що при критичшй швидкосп удару v«l/4v, чи контактного тиску, акустичн1 коливання, що генеруються при ynapi, затухають i трансформу-ються в розупорядкування, аиорф1зашю i руйнування наночастинок.

10. Встановлено принцип резонансного пщсилення поверхневих коливань наночастинок за допомогою селективно!' ультразвуково! дц, синхронно! з ударом. Вив-чено атомннй механизм пперзвуково! резонансно! активацн динам1чного компактування металевих наночастинок, що включае змочування шорсткосп, роташю частинок i усадку.

11. В рамках фрактальних уявлень дослщжено вплнв атомно! шорсткосп поверхн1 TpiuuiHH на крихке руйнування. Одержано фрактальну поправку для розрахунку MiUHOcri i в'язкосгп крихкого руйнування в класичнш модел1 Гр1ффпта. З'ясова-но, що шлеспрямоване створення атомно! шорсткосл поверхн1 руйнування за рахунок ультрадисперсних включень в додаток до MiKpo- i макроскошчно! шорс-ткостт дае можлнв1СТь пшшшити в'язюсть руйнуюння крихких матер!ал1в. Показано, що межу MiuHicri можна визначити через перколяцшш властивооз каркасу границь зерен i адгез!йну мщшсть нщившуальних границь.

12. Розроблена методика, потеншали i програми можуть бути використаш для подальших дослшжень ¡нших процесш, явищ, наноструктур, керам1чних MaTepianiB i елементтв прилад1в,а також для демонстрацн в навчальному npoueci. Одержан! законом1рносп i принципи можуть бути використаш при розробш нових нанотехнолопй, зокрема,компактування i нанесения покрить. Наслщком робота с розвиток нового напрямку в комп'югерному матер1алознавств| -атом'кпгичного моделювання фаничних процессе i контактних явищ.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ,0 ПУ БЛ1КО ВАН ИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦП

1Локропивний В.В. Машинне моделювання спешальних границь нахилу i ix взаемодп з вакансиями в ОЦК-перехщних металах// Доповцц АН УРСР. сер.А. -1985.- N2. - С.78-81.

2. Покропивний В.В., Скороход В.В. Комбшована модель границь зерен i бар'ер-но- естафетний мехашзм зерногранично! дифузп// Доповш АН УРСР. серА. -1987.- N12. - С.68-71.

3. Покропивный В.В.,Огородников В.В.,Ракицкий А.Н.,Турцевич Е.В. Моделирование малых вакансионных кластеров и механизм их роста в хроме и ОЦК-железе // Металлофизика. - 1989. -T.11.N4.-C.76-82.

4. Ogorodnikov V.V.,Pokropivny V.V. Empirical N-body interatomic potential for bcc-transition metals// Physica Status Solidi (b). - 1991. -V.166,N1. - P.67-78.

5. Покропивный В.В.,Скороход В.В. Фрактальная поправка к прочности и вязкости разрушения твердых тел с учетом атомной шероховатости поверхности разрушения// Физика твердого тела.- 1995. - T.37.N4.- С.1223-1226.

6. Покропивный В.В.,Скороход В.В. Пустотная структура и свойства неравновесных границ// Металлы. - 1995.- N4. - C.138-I47.

L_Pokropivny V.V. Percolation and fractaj model of brittle interciystalline fracture // Электронная микроскопия и прочность материалов.- Киев: ИПМ НАН Украины.

- 1995. - С.39-46.

&_Покропивный В.В. Моделирование межчастичных поверхностей при сближении. I. Нелокальный поверхностный потенциал для a-Fe// Металлофизика и НТ.

- 1996. - Т. 18,N2. - С.38-44.

9. Покропивный В.В. .Скороход В.В. Моделирование межчастичных поверхностей при сближении. Н.Тонкая структура гладких границ (112) 1=3,(114)1=9, (158) 1=57 в a-Fe // Металлофизика и НТ. -1996. -T.18.N3. - С.55-62.

10. Покропивный А.В.,Покропивный В.В..Скороход В.В.Компьютерное моделирование сканирования поверхности в атомно-силовом микроскопе// Письма в журнал технической физики. - 1996. - T.22.N2. - С. 1-7.

11. Покропивный В.В..Огородников В.В. Потенциалы межатомного взаимодействия в твердом растворе, гексагональной (Сг2 N) и кубической (CrN) фазах системы хром- азот// Неоганические материалы. - 1996. - T.32.N3. - С.321-325.

12. Покропивный В.В..Скороход В.В. Атомный механизм когезионного трения в компьютерном эксперименте// Письма в ЖТФ.-1996. - T.22.N9. - С.70-77.

13. Покропивный В.В.,Скороход В.В.,Покропивный А.В. Атомистическое моделирование механизмов когезионного трения и износа атомно-острой W-шерохо-ватости по а-Ре-(114)-поверхности//Трение и износ.- 1996.- T.17.N5.- С.579-588.

14. Покропивный В.В..Скороход В.В..Покропивный А.В. Атомный механизм когезионного износа при трении атомно-острой W-шероховатости по a-Fe-(114)-поверхности// Труды Украинского Вакуумного общества. Том 2,- Харьков: ННЦ ХФТИ. - 1996. - С.238-244.

15. Покропивный В.В..Скороход В.В. Адгезионная модель SD-эффскта// Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев: ИПМ НАН Украины. -1997. - С.4-9.

16. Покропивный В.В..Скороход В.В.,Покропивный А.В. Принцип комплексного детонационно-волнового нанесения покрытий// Труды Украинского Вакуумного общества. Том 3,- Харьков: ННЦ ХФТИ. - 1997. - С.341-344.

17. Pokropivny V.V.,SkoroKhod V.V.,Pokropivny A.V. Atomistic mechanism of adhesive wear during friction of atomic-sharp tungsten asperity over (U4)-bcc-iron surface // Material Letters.- 1997.- V.31.N5. - P.49-54.

18. Покропивный В.В..Скороход В.В..,Покропивный А.В..Красников Ю.Г. Моделирование ударной генерации гиперзвуковых фононов и резонансный принцип активации компактирования нанопорошков// Письма в ЖТФ.-1997,- T.23.N12.-С.81-84.

19. Покропивный В.В..Скороход В.В.Моделирование межчастичных поверхностей при сближении. Ш.Образование адгезионного a-Fe-контакга при индентировании атомно-острой шероховатости и его разрушение при растяжении// Металлофизика и НТ. - 1997.- Т. 19,N4. - С.34-49 .

20. Покропивный В.В.,Скороход В.В. Моделирование'межчастичных поверхностей при сближении. ГУАдгезионно-осцилляционный эффект при неупругом ударе и растяжении наночастиц// Металлофизика и НТ.- 1997.- T.19.N7.- С.58-62 .

21. Pokropivny V.V.,Skorokhod V.V.,Pokropivny A.V. Adhesive phenomena at contact of a-Fe-asperity with a-Fe-surface during indentation, shock and detachment// Modelling and Simulation in Material Science and Eng.- 1997.- V.5,N10.- P.579-594.

21_Покропивный B.B. Моделирование атомных механизмов эволюции границ раздела в процессах компактирования наночастиц// Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев: ИПМ HAH Украины.- 1997. - С.4-9.

23. Покропивный В.В. Атомный механизм ультразвуковой активации ударного компактирования металлических наночастиц// Электронная микроскопия и прочность материалов. - Киев: ИПМ HAH Украины,- 1997.- С.10-13.

24. Покропивный В.В..Скороход В.В. Моделирование атерм!гческого сдвига и проскальзывания по спец. границе в a-Fe // Металлофизика и НТ.- 1997.- Т.19, N12.-С.54-63.

25. Гомологический набор межатомных потенциалов для ОИК переходных металлов// Покропивный В.В.,Огородников В.В.; ИПМ АН УССР,- Киев, 1989. -31с. - Рус. - Деп.ВИНИТИ 26.04.89, N2733-B89// Аннот. в ж. Металлофизика, N4, 1989.- С. 104.

26. Покропивный В.В.,Скороход В.В. Когезия (адгезия,схватывание, сращивание, соединение) межчастичных поверхностей и образование границ зерен в процессах спекания, возврата, рекристаллизации, сверхпластичности, трения и разрушения. - К: 1995.-61с. (Препринт/HAH Украины. Ин-т проблем материал о-ведення;95-2).

анотащ!

Покропивний в.в. Комп'ютерне моделювання атомних мехашзм^в еволю-ui'i границь роз л Li у в процесах трибовзаемодн i компактування. металевнх нано-частинок. -Рукопис.

Дисерзашя на здобутгя наукопого ступеня доктора ф13ико-матсматичннх наук за спешальностю 01.04.07- фпика твердого Tina.- 1 и статут проблем матер!а-лознавства ¡мЛ.М.Францевича. HAH Украши, Ктв. - 1998.

Дисерташю присвячено розробш наукових основ нанотрибологн i нанотсх-нологн компактування методом комл'ютерного моделювання еволюин грашшь роздьчу на атомному piBHi в процесах тсртя, зносу, застрявання,зсуву, шдентуван-ня, з'еднання, удару i компактування металевих наночастинок. Розроблено новий напрямок на стику комп'ютерного матер!алознавства, структурно!' ¡нженерн границь i нанотехнолопй - атом'ктичне моделювання контактних явит i граничних npoHecin. Развинуто парнопотенщальну модель крнсталу i сконструйовано ряд нелокальних м1жатомннх потеншагпв. Запропоновано пустотну модель границь роздьту, фрактальну поправку до мщносп в модел1 Гр;фф1тса i резонансний принцип компактування наночастинок. Встановлено елементарний акт адгезшного тертя i зносу, а також атомний мехашзм гшерзвуково! активаин компактування. Розроблена методика i комплекс програм можуть бути вико-ристага для подальших дослшжень та в навчальному npoueci, а одержаш закономфноеп - при розробш нових нанотехнолопй.

Ключоп1 слова: комп'ютерне моделювання, метод молекулярноУ дштпки, м1жатомш потеншали, металев! наночастинки, граниш роздигу i зерен, атомш мехашзми, адгезшне тертя, зношування, нанопшентування, компактування.

Покропивный В.В. Компьютерное моделирование атомных механизмов эволюции границ раздела в процессах, трибовзаимодейсгвия и компактнрования металлических наночастиц. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела,- Институт проблем материаловедения им.И.Н.Францевича НАН Украины, Киев. - 1998.

Диссертация посвящена разработке научных основ нанотриболопш и нанотехнологии компактнрования методом компьютерного моделирования эволюции границ раздела на атомном уровне в процессах трения, износа, заедания, сдвига, нкдентирования, соединения, удара и компактнрования металлических наночастиц. Разработано новое направление на стыке компьютерного материаловедения, структурной инженерии границ и нанотехнологии - атомистическое моделирование контактных явлений и граничных процессов. Развита парнопотеициальная модель кристалла и сконструирован ряд нелокальных межатомных потенциалов. Предложена пустотная модель границ раздела,фрактальная поправка к прочности в модели Гриффитса и резонансный принцип компактнрования наночастиц. Установлен элементарный акт адгезионного трения и износа, а также атомный механизм гиперзвуковой активации компактнрования. Разработанная методика и комплекс программ могут быть использованы для дальнейших исследований и в учебном процессе, а полученные закономерности - при разработке новых нанотехнологий.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, метод молекулярной динамики, межатомные потенциалы, металлические наночастицы, границы раздела и зерен, атомные механизмы, адгезионное трение, износ, наноиндентирование, компакгирование.

Pokiopivny V.V. Computer simulation of atomic mechanisms of interface evolution in the processes of tribo-interaction and compacting of metallic nanoparticles. -Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 01.04.07- solid state physics.- Institute for Problems of Materials Science of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 1998.

The dissertation is devoted to developing of scientific bases for nano-tribology and compacting nano-technology by computer simulation of interface evolution at atomic scale in the processes of friction, wear, seizure, indentation, joining, shock and compacting of metallic nano-particles. A new direction at the junction of computer materials science, interface engineering and nano-technologies is elaborated, namely, the atomistic simulation of contact phenomena and interface processes. A pair-potential model is developed and a set of new non-local interatomic potentials are designed. A hollow model of grain boundary, a fractal correction to strength in Griffith model, and a resonance principle for nano-particles compacting are proposed. An elementary act of adhesive friction and wear is established, as well as an atomic mechanism of hypersonic activation for compacting. The developed technique and package of computer codes may be used both in further research and education. The obtained results may be utihzated in design of noval nano-technologies.

Key words: computer simulation, molecular dynamics technique, interatomic potentials, metallic nano-particles, interfaces and boundaries, atomic mechanisms, adhesive friction, wear, nano-indentation, shock, compacting.