Псевдопотенциалы и моделирование дефектов в иридии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГб од

1 1 и на правах рукописи

О 3 ФЕ8 1997

Шаманаев Юрий Федорович

ПСЕВДОПОТЕНЦИАЛЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В ИРИДИИ

01.04.07 - Физика твердого тела

--

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1996

Работа выполнена в лаборатории теории прочности Института физики металлов Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург)

научные руководители:- д.ф;-м.н. профессор Гринберг Б.А.

(ИФМ УрО РАН, Екатеринбург)

д.ф.-м.н. в.нс. Трефилов A.B. (РНЦ "Курчатовский ин-т", Москва)

официальные оппоненты: д.ф.-м.н. г.н.с. Дякин В.В.

(ИФМ УрО РАН )

д.ф.-м.н. профессор Кирсанов В.В. ( ГТУ г Тверь)

ведущая организация: ,,

Уральский государственный университет нм. AM.Горького

Защита состоится "__1996 г. в

часов на заседании диссертационного совета К002.03.01 в Институте физики металлов УрО РАН (620219, Екатеринбург, ГСП-170, ул. С.Ковалевской, 18)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан "_" _1996 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета кандидат физ.-мат. наук с.н.с. В.Р.Галахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, темы;

Успешное решение задач разработки новых материалов с заданными свойствами предполагает глубокое понимание роли физических процессов, контролирующих деформацию о кристалле. Поэтому изучение микроскопических механизме в, формирующихся на атомном уровне сейчас приобретает псе большую значимость в материаловедении. Для этой цели разрабатываются новые методы.

Металлы с ГЦК решеткой изучены лучше других. Однако, традиционное отношение к металлам с граь ецентрированной кристаллической решеткой как к пластичным оказывается не совсем корректным для нрндня. Этот переходный металл платиновой группы, проявляет особенности, свойственные хрупким материалам. Он разрушается сколом (даже после 70% удлинения в некоторых эриентировках оси деформации) [1,2,3].

В соответствие с представлениями об атомном строении все механические свойства материала в значительной мере определяют-:я его электронной структурой. Особенности взаимодействия атомных остовов между собой и валентными электронами влияют на :труктуру дефектов и обуславливают наблюдаемые на эксперименте :пецифнческие черты механического поведения конкретных материалов. Поэтому последовательное рассмотрение дефектов кри-:таллической решетки в иридии учитывающее реальную электрон-гую структуру этого металла представляет достаточно большой интерес как с точки зрения фундаментальной физики, так и прикладных исследований.

Целью данной, работы было исследование структурных и »нергетнческих особенностей дефектов кристаллической решетки. |ридия и выяснение взаимосвязи этих особенностей с наблю-(аемыми аномалиями п механических свойствах

Для этого были получены параметры исевдопотенцналов дл иридия и родия. Построены межатомные парные потенциалы смоделированы структуры дефектов кристаллической решетки.

Для расчета была применена схема теории возмущений и модельному псевдопотенциалу Абаренкова-Хейне, интенсивно 1 успешно разрабатываемая в институте им. И В.Курчатова (ООЯЧ группа проф. Вакса В.Г.).

Научная и лрактичеекая ценность;

Внедрение в металловедение понятий, связанных с достиже ниямн в области исследований электронной структуры являете перспективным и необходимым, так как позволяет анализироват физические причины, определяющие особенности механическоп поведения материалов, на принципиально более глубоком уровне Привлекая ясные и четкие понятия об элементарных взанмодей ствиях (типа кулоновского взаимодействия) в рамках теории псев допотенциалов удалось достаточно точно описать широкий спект| свойств переходных металлов (1г и ИЬ), построить модель их меж атомного взаимодействия и провести компьютерные экперименты моделирующие пластические процессы.

Точное описание переходных • металлов в рамках теории воз мущеннй по псевдопотенциалу, полученное в данной работе, яв ляется дополнительным поводом к пересмотру ограничений, свя занных с применимостью данного метода, в сторону их расшире Н11Я.

Одним из основных результатов данной работы является на блюденне в компьютерном эксперименте блокировки днелокацион пых ядер в иридии, что является необычны* для металлов с ГЦ1* решеткой. Известно, что потеря подвижности дислокаций може* приводить к росту предела текучести. Преде тавляет интерес даль нейшее теоретическое и экспериментальное изучение структурь дислокаций с целью обнаружения предсказанных особенностей.

Построенные в данной работе парные потенциалы меж атомного взаимодействия в дальнейшем могут быть нспользовань для моделирования решеточных свойств иридия и родня.

Новизна работы:

Получено . точное описание широкого спектра решеточных :пойств переходных металлов (1г и ИЬ) в рзмках теории возмуще-!нй по псевдопотенциалу и построены парные потенциалы меж-[томного взаимодействия. Показано, что межатомное взаимодей-:тпне в этих металлах носит центральный парный характер.

С использованием построенных парных потенциалов проведе-ю компьютеное моделирование структуры дислокационного ядра. Тродемонстрирована возможность спонтанной блокировки дисло-;аций в ГЦК металле в результате образования некомпланарной :труктуры ядра. Получены энергетические характеристики точеч-1ых дефектов в иридии и родии.

На защиту выносятся следующие положения;

• описание решеточных свойств иридия и родия в рамках теории возмущения по модельному псевдопотенциалу Абаренкова - Хейне;

• результаты исследования зависимости устойчивости кристаллической решетки в иридии от величины заряда атомного остова г;

• набор потенциалов парного межатомного взаимодействия в иридии, родии и меди, используемые для моделирования структурных дефектов кристаллической решетки;

• вычисленные характеристики точечных дефектов и дефектов упаковки в иридии и родин;

• результаты моделирования структуры ядер дислокаций (скользящих и некомпланарных) в иридии и родии;

• значения поверхностной энергии и теоретической прочности на отрыв, полученные в рез)льтате компьютерного эксперимента.

Апробация .работы;

Результаты работы докладывались на 27 международном семинаре по моделированию, Ижевск, 1994, на XVI Черняевском Совещании по химии, анализу и технологии платиновых металлов, Екатеринбург 1996.

Структурам объем работы;

Диссертация состоит из введения, четы|)ех глав, заключения и списка используемой литературы. Она содержит 100 страниц, 46 рисунков, 15 таблиц и библиографию из 59 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа представляет собой замкнутый цикл теоретических исследовании, начиная от получения точного описания решеточных свойств иридия в рамках теории' псевдопотенциала, построения парных потенциалов и заканчивая и моделированием дефектов кристаллической решетки (вакансий, дислокаций) и процессов разрушения.

В0_.ВВ£Аешш; обоснована актуальность темы исследования, сформулирована общая проблема, цель работы и указаны положения, выносимые на защиту.

Первая, глава;

Сделан краткий обзор по типам модельных псевдопотенциалов. Приведены основные положения, применяемые при построении псевдопотенциальной модели межатомного взаимодействия. В настоящей работе использовался модельный псевдопотенциал

Абаренкова-Хейне, фурье образ которого имеет вид (домножен на экспоненту для подавления нефизических флуктуации):

Щд) =

4л

Л

с о^(дЯ0)-и0

<7*о

1кг

В расчетах использовалась экранировка Гелдарта-Тейлора [4]. Парный потенциал находится по известным сюрмулам:

ф(г)

г ' 'л

Подгонка псевдопотенциала проводилась варьированием свободных параметров и и<) под условия: Р=0 - внутреннее давление равно чулю и В44=В44 р - равенство экспериментального и расчетного модулей сжимаемости.

Изображение потенциала Абаренкова -Хейне в прямом пространстве

Во второй главе;

Приведены результаты: подгонки параметров псевдопотснцнала и расчетов модулей упругости дли иридия, родия и меди.

С хорошей точностью удалось построить описание решеточных свойств иридия и родия (см. табл 2). Соответствующие параметры псевдопотенциалов показаны в таблице 1.

Вопрос о величине суммарного вклада от более высоких порядков по теории возмущений (и тем самым обоснованности данной схемы) решается следующим образом. В работе [5] было показано, что выражения для статического В„ и динамического В^ модулей сжимаемости одинаковы лишь при полном учете многочастичных вкладов. Близость величин этих модулей в рамках модели второго порядка теории возмущений свидетельствует о малости всех многочастичных вкладов выше второго. В представленных расчетах разница между этими модулями уменьшается с ростом валентности до г=5 5 (для этого г разница практически исчезает), одновременно это приводит к улучшению описания свойств иридия. Этот факт подтверждает предположение, о том, что многочастичные вклады в этом металле малы и применение парных потенциалов для рассмотрения в дальнейшем структуры дефектов кристаллической решетки является принципиально правильным.

Расчет фононных спектров иридия и родия продемонстрировал неплохое согласие при малых волновых £екторах с экспериментальными измерениями колебательных частот методом поглощения тепловых нейтронов. На спектре отсутствуют какие-либо особенности, связанные с возможным присутствием особенностей Ван-Хова в электронном спектре.

Параметры №(г) 1г иь Си

7. 3.53.5 4.5 5.5 3.86 1.5

и„ (а.е.) -1.27 -1.24 -1.23 -1.25 -1.39

ЛЛА) 1.598 1.423 1.3П6 1.392 1.55

1.357 1.343 1.28

0.06 0.3 0.3 0.3 0.06

Табл.1 Параметры псевдопогенциала

Парные потенциалы межатомного взаимодействия в иридии, родии и меди.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что > межатомное взаимодействие в иридии носит парный центральный характер. Этот же факт подтверждается и экспериментально: в иридии мало давление Коши (С12-С44).

Сравнение энергий различных фаз покгзало, что наблюдается некоторое снижение устойчивости ГЦК типа упаковки при возрастании валентности атомного остова г (с 3.5 до 5.5), в частности, это проявляется в уменьшении величины энергии дефекта упаковки.

Из вида полученных равновесных парных потенциалов межатомного взаимодействия следует, что межатомное взаимодействие в иридии близко к взаимодействию твердых сфер: мощное близко-денствие и слабое дальнодействие в виде осциллирующего хвоста. Об этом же говорит и тот факт, что с улучшением описания упругих свойств (при увеличении валентности с 3.5 до 5.5) происходит сближение значения Яо, (описывающего радиус взаимодействия электрона с атомным остовом) с радиусом иона, полученным из параметра кристаллической решетки. То есть механический и

электронный радиусы взаимодействия в иридии практически равны, в отличие, например, от щелочных металлов.

4>(R) (эв) -100

Парные потенциалы межатомного взаимодействия в иридии для разных величин валентностей. Штриховая линия - умножение на 100.

1г RVi г„

7. 3.5 4.5 5.5 3.86 1.5

В. 35.9 31.3 35.6 22.6 14.9

в.,, 43.5 35.2 35.8 25.5 19.7

В0ПП 35.4 26.9 13.9

в;: 12.9 1 14.0 I 16.4 10.1 2.42

в« 16.9 5.36 2.40

В« 32.9 1 26.7 1 26.7 19.4 7.59

В-И вир 26.0 14.3 7,6

Г| 0.56 0.55 0.61 0.54 0.32

d (ангстрем) 4.44 4.43 4.5

0D 427 410 424 . 481 336

Орехо 425 480 345

Табл.2 Результаты расчетов решеточных свойств модули в 10 Дин/ см .

В-ТдетьейхАЗве;

Приведены результаты компьютерных экспериментов по мо делнрованню дислокационных ядер и вакансий.

•. 1г ИЬ Си

7 3.5 4:5 5.5 3.86 1.5

е.. 3.25^ Ш 0.96 1.43 1.29

Е,. ехр „ „ 1.27

Ег. 3.01 2,5? 2.78 1.89 1.01

е, 6.26 4.40 3.74 3.32 2.3

Еа ехр 4.5 - 2.05

Табл 3. Значения энергий образования Еу, миграции Ет, самодиффузни Еа вакансий; ехр - экспериментальные данные; единицы измерения - э.в.

Расчеты показали, что энергия образования вакансии в иридии и родии меньше, чем энергия их миграции. Для меди имеет место обратная ситуация (см. табл. 3). Это означает,'что создать новую вакансию в иридии и родии легче,чем перемещать уже имеющуюся.

По данным электронной микроскопии, в наблюдаемой дислокационной структуре иридия отсутствуют расщепленные дислокации [1,2]. Этот факт говорит о том, что в этом металле или очень высокая энергия дефекта упаковки, или дислокации блокируются и не могут расщепиться в плоскости октаэдра. В настоящей работе получена некомпланарная структура ядра дислокации для винтовой и 60-градусной дислокаций в иридии при использовании потенциала с г=5.5. Для потенциалов с г=3.5-4.5 и меди структура дислокационного ядра в процессе релаксации сохраняет скользящую конфигурацию в плотноупакованной плоскости.

Плоское расщепление ядра Тим * * • * * * * • * ои-град. дислокации в , , л % - « « иридии, (потенциал 1г45) • • Ч* " ЛЩ » • • • < Плоскость рисунка - (110).

Ось дислокации направле- * Ъ *

на перпендикулярно плос- ® "•*»*»*• '» • * * ' кости рисунка. Стрелками •»•• «•••*•• в левом верхнем углу обозначены линии пересечения плоскости листа с кристаллографическими плоскостями. Кружками показаны винтовые компоненты смещений, черточками- краевые.

001 • • || |л> • • •

. . . ....

Блокировка ядра винтовой ят ♦> *. *. '

дислокации в ири- •

дии,(потенциал 1г55).' Плос- • • • о © • • • •

/•мп\ .... ...

кость рисунка - (110). .... . . . .

. '. 2 " * "

О

© "б •

Некомпланарное расщепление ядра винтовой дислокации в иридии, с первоначальным расщеплением 4а/2, (потенциал 1г55) Плоскость рисунка - (110).

001 - - .,,„ - - - -. V . . . .

• »\У I (И1 • • • *

• ••••••••

••ООО***

• • • ОТ^О • • • • • • • * •

♦ . • £ »

....... о1- • •

• •••ер*' •

В_четвертой главе

Представлены результаты комьютерного эксперимента по разрыву образца иридия.

ст/Е

Силовой барьер, преодолеваемый при разрыве иридия и меди.

R(a)

Применение полученных в предыдущих главах парных потенциалов в схеме разделения кристалла на две части позволило полу чнть информацию о величине поверхностной энергии, теоретической прочности на отрыв и параметрах силового барьера, преодолеваемого при разделении кристалла на части. Оказалось, что в в единицах о/Е (E-модуль Юнга), прочность на отрыв в иридии меньше, чем в меди. Применение критерия хрупкости Райса-Томпсона (отношение цЬ/у„ где b-вектор Бюргерса, Ц-модуль сдвига и у, энергия поверхности) к рассматриваемым трем металлам показало, что иридий попадает в группу хрупких материалов: для испускания дислокации из вершины трещины в иридии тре-

буется энергия активации, в то время, как в меди дислокация испускается спонтанно.

Ме Ес(эрг/см') Кп-жСа) У,(эрг/см а (ГПа)

1г35 3600 0.33 3400 87.34 16.7

1г45 2225 0.38 1975 69.7 28.5

Си 1450 0.44 1350 32.0 8.61

Параметры разрушения и критерии Раиса-Томпсона, Ипт- расстояние до пика по энергии Ес

Выводы:

В результате представленных исследований получены данные о

том, что:

• межатомное взаимодействие в иридии может быть удовлетворительно описано в схеме центральных парных взаимодействий

• энергия миграции вакансии в иридии превосходит энергию ее образования, в отличие от пластичного ме-алла (меди, например, где реализуется обратное соотношение);

• показана возможность самоблокировки дислокаций в иридии ь результате перестройки ядра в некомпланарную конфигурацию;

• значения теоретической прочности на отрыв и поверхностной энергии в иридии близки к имеющимся экспериментальным оценкам. В приведенных единицах медь оказывается на разрыв прочнее, чем иридий;

• показано, что в терминах критерия хрупкости Райса-Томпсона, вершина трещины в иридии не может спонтанно испускать дислокации, в отличие от пластичной меди. В этом аспекте иридий бтносится к хрупким металлам.

Основные результаты, составляющие содержание диссертационной работы представлены в публикациях:

1. B.A.Greenberg, M.I.Katsnelson, V.G.Koreshkov, Yu.N.Osetskii, G.V.Peschanskikh, A.V.Trefilov, Yu.F.Shamonaev and L.I.Yakovenkova "On the possibility of describing of lattice properties of iridium in terms pseudopotential theoryVPhys.Stat.Sol. (b) 158. 441 (1990)

2. A.S.lvanov, M.I.Katsnelson, A.G.Mikhin, Yu.N.Osetskii, A.Yu.Rumyantsev, A.V.Trefilov, Yu.F.Shamonaev and

L.I.Yakovenkova "Phonon spectra, interatomic interaction potentials and simulation of lattice defects in iridium and radium".-

Phil.Mag.B. (b) 69, №6, 1183-1195 (1994)

3. Гринберг Б.А., Кацнельсон М.И., Трефилов A.B., Шаманаев Ю.Ф. Расчет фононного спектра и энергий дефектов в иридии с помощью псевдопотенииала. XVI Черняевское Совещание по химии, анализу и технологии платиновых металлов, Екатеринбург

1996

4. Яковенкова Л.И., Карькина Л.Е., Шаманаев Ю.Ф. Моделирование на ЭВМ дислокаций и дефектов упаковки в иридии и родии

5. Яковенкова Л.И., Карькнна Л.Е., Шаманаев Ю.Ф. Ядро дислокации и особенности деформационного поведения иридия. Труды 27 международного семинара по моделированию, Ижевск, 1994, • с. 4647.

6. Яковенкова Л.И., Карькина Л.Е., Шаманаев Ю.Ф. Структура ядра дислокации в иридии и родии. ЖТФ, 1994, т.64, №7, с.70-78.

Цитированная литература

[1] С.Gandhi, M.F.Asbv "On Fracture mechanisms of Iridium and Criteria for cleavage" Scr.Met. 13, №5, 271 (1979)

[2] Haasen P., Hiebpr H., Mordike B:L. "Die plastische Verformung von Ir-Einkristallen" Z.Metallkund 56, p.832 -841(1965)

[3] Haasen P., Hieber H., Mordike B.L. "Fracture-mechanisms maps for materials which cleave: FCC.BCC and HCP metals and ceramics".- Acta Met. v.27,N 10, 1972, p.1565-1601

[4] D.J.Geldart, S.H.Vosko Can.J.Phys. 44, 2137 (1966)

[5] Бровман У.Г., Коган Ю.М. "Фононы в непереходных металлах" ,-УФН, 112, вып.З, с.369-426, (1974)

Отпечатано на ротапринта ИФМ УрО РАН тираж 80 заказ 04

_ Формат,б0х84Л/1бпооъем О.ьЬ печ.л, тп 620219 г.Екатеринбург гСП-170 ул.С.Ковалевской,18