КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ И АМОРФНОМ АЛЮМИНИИ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Работа посвящена исследованию микроскопических механизмов плавления металлов и структурной релаксации металлических стекол. Несмотря на обширные усилия и многочисленные важные результаты, полученные в этой области, эта задача не имеет общепринятого окончательного решения. Одним из основных вопросов является микроскопическая природа структурных дефектов в металлических стеклах – наноразмерных областей, которые ответственны за эволюцию их физических свойств при внешнем воздействии. Наиболее перспективную интерпретацию природы таких дефектов дает межузельная теория, предложенная Гранато. Межузельная теория основывается на уникальной гипотезе о межузельном механизме плавления металлов и связывает тепловые эффекты в стекле со сдвиговой упругостью материнского кристалла.

Экспериментальное исследование и компьютерное моделирование диаэластического эффекта вблизи температуры плавления Tm кристаллического алюминия послужили убедительным свидетельством лавинообразной генерации межузельных гантелей вблизи Tm. В настоящей работе было выполнено компьютерное моделирование, направленное на проверку наличия межузельных гантелей (или подобных им атомных структур) в твердом стеклообразном состоянии, полученном закалкой расплава.

Компьютерное моделирование показало, что аморфный алюминий, полученный быстрой закалкой расплава, содержит значительное количество «дефектов», аналогичных по своим свойствам межузельным гантелям в кристаллическом состоянии. Хотя эти «дефекты» не имеют четкой единообразной топологической структуры в отличие от дефектов кристалла, они могут быть однозначно идентифицированы по своим основным свойствам – высокой чувствительности к сдвиговым напряжениям и характерным низкочастотным/высокочастотным особенностям спектра колебательной плотности состояний «дефектных» атомов.

Методами молекулярной динамики и статики показано, что твердый некристаллический алюминий содержит специфические атомные конфигурации, подобные межузельным гантелям в кристаллическом состоянии, которые можно считать «дефектами» аморфной структуры.

Об авторах

Е. В. Гончарова

Воронежский государственный педагогический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: goncharova.evg@mail.ru

аспирант кафедры общей физики, младший научный сотрудник лаборатории «Физика некристаллических материалов»

Россия

Р. А. Кончаков

Воронежский государственный педагогический университет

Email: konchakov@mail.ru

кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общей физики, старший научный сотрудник лаборатории «Физика некристаллических материалов»

Россия

А. С. Макаров

Воронежский государственный педагогический университет

Email: a.s.makarov.vrn@gmail.com

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики, старший научный сотрудник лаборатории «Физика некристаллических материалов»

Россия

В. А. Хоник

Воронежский государственный педагогический университет

Email: v.a.khonik@vspu.ac.ru

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой общей физики, главный научный сотрудник лаборатории «Физика некристаллических материалов»

Россия

Н. П. Кобелев

Институт физики твердого тела, РАН

Email: kobelev@issp.ac.ru

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия

Список литературы

  1. Debenedetti P.G., Stillinger F.H. Supercooled liquids and the glass transition // Nature. 2001. Vol. 410. P. 259–267.
  2. Dyre J.C. The glass transition and elastic models of glass-forming liquids // Reviews of Modern Physics. 2006. Vol. 78. P. 953–972.
  3. Langer J. The mysterious glass transition // Physics Today. 2007. Vol. 60. P. 8–9.
  4. Granato A.V. Self-interstitials as basic structural units of liquids and glasses // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1994. Vol. 55. № 10. P. 931–939.
  5. Granato A.V. A Comparison with empirical results of the interstitialcy theory of condensed matter // Journal of Non-Crystalline Solids. 2006. Vol. 352. P. 4821– 4825.
  6. Granato A.V., Joncich D.M., Khonik V.A. Melting, thermal expansion, and the Lindemann rule for elemental substances // Applied Physics Letters. 2010. Vol. 97. P. 171911-1–171911-3.
  7. Khonik S.V., Granato A.V., Joncich D.M., Pompe A., Khonik V.A. Evidence of Distributed Interstitialcy-Like Relaxation of the Shear Modulus due to Structural Relaxation of Metallic Glasses // Physical Review Letters. 2008. Vol. 100. P. 065501-1–065501-4.
  8. Mitrofanov Yu.P., Wang D.P., Wang W.H., Khonik V.A. Interrelationship between heat release and shear modu-lus change due to structural relaxation of bulk metallic glasses // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 677. P. 80–86. 9.
  9. Mitrofanov Yu.P., Wang D.P., Makarov A.S., Wang W.H., Khonik V.A. Towards understanding of heat effects in metallic glasses on the basis of macroscopic shear elas-ticity // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. P. 23026-1– 23026-6.
  10. Granato A.V. Interstitialcy model for condensed matter states of face-centered-cubic metals // Physical Review Letters. 1992. Vol. 68. № 7. P. 974–977.
  11. Granato A.V. Interstitialcy theory of simple condensed matter // European Physical Journal B. 2014. Vol. 87. P. 18-1–18-6.
  12. Safonova E.V., Mitrofanov Yu.P., Konchakov R.A., Vinogradov A.Yu., Kobelev N.P., Khonik V.A. Experimental evidence for thermal generation of interstitials in a metallic crystal near the melting temperature // Journal of Physics: Condensed Matter. 2016. Vol. 28. № 21. P. 215401-1–215401-12.
  13. Safonova E.V., Konchakov R.A., Mitrofanov Yu.P., Kobelev N.P., Vinogradov A.Yu., Khonik V.A. Contribution of Interstitial Defects and Anharmonicity to the Premelting Increase in the Heat Capacity of Single-Crystal Aluminum // Journal of Experimental and Theo-retical Physics Letters. 2016. Vol. 103. № 12. P. 765–768.
  14. Ehrhart P., Robrock K.H., Schober H.R. Physics of Radiation Effects in Crystals. Amsterdam: Elsevier, 1986. Vol. 3. P. 3–115. 15. Wolfer W.G. Fundamental Properties of Defects in Metals // Comprehensive Nuclear Materials. Amsterdam: Elsevier, 2012. P. 1–45.
  15. Кончаков P.A., Кобелев Н.П., Хоник В.А., Макаров А.С. Упругие диполи в модели монокристаллической и аморфной меди // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. № 2. С. 209–216.
  16. Weaire D. On the use of pair potentials to calculate the properties of amorphous metals // Acta Metallurgica. 1971. Vol. 19. P. 779–788.
  17. Safarik D. Elastic constants of amorphous and single-crystal Pd40Cu40P20 // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. P. 5736–5746.
  18. Nordlund K., Ashkenazy Y., Averback R.S., Granato A.V. Strings and interstitials in liquids, glasses and crystals // Europhysics Letters. 2005. Vol. 71. № 4. P. 625–631.
  19. Dederichs P.H., Lehmann C., Schober H.R., Scholz A., Zeller R. Lattice theory of point defects // Journal of Nuclear Materials. 1978. Vol. 69-70. P. 176–199.
  20. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // Journal of Computational Physics. 1995. Vol. 117. P. 1–19.
  21. Sheng H.W., Kramer M.J., Cadien A., Fujita T., Chen M.W. Highly optimized embedded-atom-method potentials for fourteen fcc metals // Physical Review B. 2011. Vol. 83. P. 134118-1–134118-20.
  22. Nose S. A unified formulation of the constant tempera-ture molecular dynamics methods // Journal of Chemi-cal Physics. 1984. Vol. 81. P. 511–519.
  23. Hoover W.G. Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions // Physical Review A. 1985. Vol. 31. P. 1695–1697.
  24. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R. Molecular dynamics with cou-pling to an external bath // Journal of Chemical Physics. 1984. Vol. 81. P. 3684–3690.
  25. Verlet L. Computer “Experiments” on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Mole-cules // Physical Review. 1967. Vol. 159. P. 98–103.
  26. Tuckerman M.E., Alejandre J., López-Rendon R., Jochim A.L., Martyna G.J. A Liouville-operator derived measure-preserving integrator for molecular dynamics simulations in the isothermal - isobaric ensemble // Journal of Physics A: Mathematical and General. 2006. Vol. 39. P. 5629–5651.
  27. Dickey J.M., Paskin A. Computer Simulation of the Lattice Dynamics of Solids // Physical Review. 1969. Vol. 188. P. 1407–1418.
  28. Robrock K.-H., Schilling W. Diaelastic modulus change of aluminum after low temperature electron irradiation // Journal of Physics F: Metal Physics. 1976. Vol. 6. P. 303–314.
  29. Gordon C.A., Granato A.V. Equilibrium concentration of interstitials in aluminum just below the melting temperature // Materials Science and Engineering A. 2004. Vol. 370. P. 83–87.
  30. Robrock K.-H. Mechanical Relaxation of Interstitials in Irradiated Metals. Berlin: Springer, 1990. 105 p.
  31. Rehn L.E., Holder J., Granato A.V., Coltman R.R., Young F.W. Effects of thermal-neutron irradiation on the elastic constants of copper // Physical Review B. 1974. Vol. 10. P. 349–362.
  32. Holder J., Granato A.V., Rehn L.E. Effects of self-interstitials and close pairs on the elastic constants of copper // Physical Review B. 1974. Vol. 10. P. 363–375.
  33. Scholz A., Lehman C. Stability Problems, Low-Energy-Recoil Events, and Vibrational Behavior of Point Defects in Metals // Physical Review B. 1972. Vol. 6. P. 813–826.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах