Кластерный анализ атомной структуры железа в процессе закалки из жидкого состояния

разующуюся пену снимали механическим способом. Таким образом, авторами проведенных исследований экспериментально доказана возможность очистки воды от нефтепродуктов в процессе флотации с одновременным использованием гидрофобного адсорбента на основе глин бентонитового класса.

Список использованной литературы

1. Борьба с разливами нефтепродуктов опасна для морской фауны. [Электронный ресурс] - 22 марта 2009. - Режим доступа: http://x-files.org.ua.

2. А. с. СССР № 1263639, МКИ С02F 1/24. Способ очистки нефтесодер-жащих сточных вод. Опубл. - 1986. Бюл. № 38.

3. Патент РФ 2160713, МКИ С02F 1/24. Опубл. 09.02.1999. Бюл. № 35.

4. Мальцев А. Нанотехнологии: вчера, сегодня, завтра /Интеграл, № 5,2003, С. 23-28/

КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗА В ПРОЦЕССЕ ЗАКАЛКИ ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ

С. Ю. Вахмин, к. ф. - м. н.

Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж,

А. Т. Косилов, д. ф.-м. н., профессор Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж

Одними из сложных и до сих пор нерешенных задач физики неупорядоченных систем остаются вопросы организации атомной структуры расплавов и полученных в результате их закалки металлических стекол. Обнаруженная ико-саэдрическая симметрия в расположении атомов расплавов некоторых металлов, а также металлических стекол, полученных в процессе закалки расплавов, тенденция к росту числа атомов, задействованных в построении некристаллографических локальных атомных конфигураций в процессе закалки, не раскрывают природу тех фундаментальных закономерностей, которые лежат в основе таких перестроек. Стеклование, как процесс формирования при закалке перко-ляционного кластера из взаимопроникающих и контактирующих между собой несовместимых с трансляционной симметрией икосаэдров был впервые продемонстрирован методом компьютерного моделирования на чистом железе, затем на сплавах Ag-Ni. Плотноупакованный перколяционный кластер, в построении которого задействовано от 55 % для Fe атомов системы, играет роль сдерживающего кристаллизацию жесткого, пронизывающего всю структуру каркаса. Перколяционный кластер имеет фрактальную геометрию, а его составляющие -политетраэдрические нанокластеры - представляют собой одномерные разветвляющиеся цепочки взаимопроникающих икосаэдров. Присутствие в структуре кластеров, упорядоченных по принципу политетраэдрической укладки атомов, обеспечивает «средний» порядок в системе. Процесс формирования нанокла-

стеров подобно процессу кристаллизации, сопровождается понижением потенциальной энергии системы и уменьшением ее объема, что указывает на признаки фазового перехода первого рода. В то же время процесс формирования пер-коляционного кластера из несовместимых с трансляционной симметрией икосаэдров при аморфизации не может быть описан в рамках классической теории зарождения кристаллической фазы. Физика стеклования может быть раскрыта лишь на пути всестороннего изучения процессов перестройки атомной структуры расплава на всех этапах превращения расплава в металлическое стекло.

В данной работе на основе кластерного анализа молекулярно-динамических моделей железа изучены процессы формирования икосаэдриче-ской нанокластерной структуры при закалке железа в температурном интервале 2300К - 0К, прослежено изменение времени жизни, морфологии, распределения по размерам нанокластеров в указанном температурном интервале.

Исходная модель расплава с плотностью 7800 кг/м была построена при Т = 2300 К путем случайной плотной упаковки 100000 атомов Fe в основном кубе с периодическими граничными условиями. Взаимодействие между атомами рассчитывали с помощью парного потенциала Пака-Доямы [1]. Атомам в начальный момент времени сообщались скорости в соответствии с распределением Максвелла при заданной температуре. Методика молекулярно-динамического расчета состояла в численном интегрировании уравнений движения с временным шагом Дt = 1.523 х 10-15 с по алгоритму Верле [2]. Система выдерживалась при указанной температуре в течение 3000 временных шагов (изотермические условия). Затем температурное ограничение снималось, и в системе на протяжении 3000 временных шагов при постоянной внутренней энергии (адиабатические условия) устанавливалось тепловое равновесие.

Закалка модели проводилась со с скоростью 2.2 1013 К/с. Процедура закалки имела циклический характер и сводилась к ступенчатому понижению температуры на 100 К, поддержанию этой температуры на протяжении 1000 Дt и последующему отжигу в адиабатических условиях в течение 2000 Д!

Структурная организация изучалась в рамках анализа многогранников Вороного и последующего на их основе кластерного анализа.

В перестройке структуры при закалке участвуют два конкурирующих процесса - атермический рост политетраэдрических нанокластеров за счет присоединения новых атомов (как и в случае статической релаксации) и их распад за счет перехода отдельных икосаэдров в другие типы координационных многогранников. Для установления влияния температуры на распределение нанокла-стеров из взаимопроникающих икосаэдров по размерам и морфологическим признакам был проведен кластерный анализ динамических моделей через каждые 20К в процессе закалки.

Для всего температурного диапазона закалки наибольшая доля икосаэдри-ческих нанокластеров приходится на одиночные икосаэдры. В процессе закалки их число растет вплоть до температуры стеклования. При дальнейшем понижении температуры в результате формирования нанокластеров больших размеров их число меняется незначительно.

Изучены морфология нанокластеров, их симметрия, распределения нанок-ластеров по числу образующих их атомов. С ростом числа икосаэдров в нанок-ластере количество таких нанокластеров резко уменьшается. Показано, что число атомов в икосаэдрических нанокластерах зависит не только от числа образующих кластер икосаэдров, но и от характера сопряжения взаимопроникающих икосаэдров: чем меньше число взаимопроникающих связей, тем больше атомов в нанокластере.

Список использованной литературы

1. Pak H. M., Doyama M. // J. Fac. Univ. Tokio. - B. 1969. - Vol. 45. - P. 305.

2. Verlet L. Computer Experiments on Classical Fluids. I. Thermodynamic Properties of Lennard-Jones Molecules / L. Verlet // Phys. Rev.- 159.- 1967.- p.98-103.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В. В. Дейнека, к. т. н.

Национальный университет гражданской защиты Украины, г. Харьков

Цементы на основе дикальциевого и дибариевого силикатов и ферритов являются высокопрочными, быстросхватывающимися и быстротвердеющими, гидравлическими вяжущими материалами с высоким коэффициентом массового поглощения и коэффициентом сульфатостойкости. Поэтому представляет интерес исследования возможности получения на их основе специальных бетонов, как для сооружения экранов биологической защиты, так и для создания контейнеров погребения радиоактивных отходов.

Как заполнители для бетонов может быть применен широкий спектр материалов в зависимости от предлагаемых требований и условий службы. Кроме естественных заполнителей (барит ВаSО4, серпентинит Mg6(OH)8[Si4Ol0]), нами было предложено использовать искусственно синтезированные (моносиликат бария ВаSiО3 и моноферрит бария ВаFe2О4) материалы, которые характеризуются матричным сродством к цементу.

Исходными сырьевыми материалами для получения заполнителей были углекислый барий технический, углекислый кальций технический, песок Ново-водолажский и оксид железа марки ЧДА. Вещественный состав исходных компонентов сырьевой смеси, масс. %, для синтеза моносиликаты бария: углекислый барий - 76,71; песок - 23,29; для синтеза моноферрита бария, масс. %: углекислый барий - 55,18; оксид железа - 44,82.

Для получения защитного бетона высокой прочности, плотности и однородности, был проведен подбор оптимального гранулометрического состава. В качестве заполнителей были выбраны естественные (барит, серпентинит) и синтезированные (моносиликат, моноферрит бария) материалы.