Эволюция атомной структуры железа под воздействием высоких температур

ЭВОЛЮЦИЯ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

С.Ю. Вахмин, старший преподаватель, к.ф.-м.н.

Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

Обеспечение пожарной безопасности - одно из основных требований при проектировании и строительстве зданий и сооружений. Температура внутри зданий во время пожара достигает 1200 0С. При этом горят дерево и пластмасса, теряют прочность металлические конструкции, разрушаются железобетонные перекрытия и стены. При обрушении несущих опор ущерб от пожара достигает максимального значения. Применение огнезащитных материалов обеспечивает повышение огнестойкости конструкций до пределов, регламентируемых нормативными документами, и позволяет снизить вероятность возникновения пожара, исключить возможность распространения пламени по конструкциям, в случае пожара увеличить временной предел для эвакуации людей и спасения материальных ценностей, расширить возможности различных архитектурных и проектно-конструкторских решений.

Прогнозирование поведения огнезащитных материалов при пожаре с использованием компьютерного моделирования является важной и неотъемлемой частью обеспечения пожарной безопасности.

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

-5

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]. Методика молекулярно-динамического расчета состояла в численном интегрировании уравнений движения с временным шагом А1=1.523 х 10-15 с по алгоритму Верле [2]. Закалка модели проводилась со с скоростью 3.3 1013 К/с. Процедура закалки имела циклический характер и сводилась к ступенчатому понижению температуры на 100 К. Структурная организация изучалась в рамках анализа многогранников Вороного и кластерного анализа.

Было показано, что в процессе закалки увеличивается число координационных многогранников (КМ) близких к икосаэдру (0-0-12-0) При температуре 0 К лидирующими по количеству в системе являются КМ типа (0-110-2), (0-2-8-4) и (0-3-6-4). Общее количество разрешенных КМ уменьшается с температурой. При 2300 К в системе наблюдалось 2672 различных типа КМ, тогда как при 0 К - всего 518, что свидетельствует об упорядочивании структуры МС по сравнению с жидким расплавом.

Число нанокластеров зависит не только от числа образующих кластер икосаэдров, но и от общего количества атомов в кластере и характера сопряжения

в нем взаимопроникающих икосаэдров.

С понижением температуры в процессе закалки рост числа больших по размеру (25 атомов) протяженных кластеров, образованных цепочкой взаимопроникающих икосаэдров, существенно опережает рост меньших по размеру (23 атома), но более компактных нанокластеров.

Для всего температурного диапазона закалки наибольшая доля икосаэдрических нанокластеров приходится на одиночные икосаэдры. С ростом числа икосаэдров в нанокластере количество таких нанокластеров резко уменьшается.

Икосаэдрические нанокластеры, состоящие из одного, двух и трех взаимопроникающих икосаэдров, реализуются во всем температурном диапазоне закалки от 2300 К до 0 К. Кластеры, содержащие от четырех и более взаимопроникающих икосаэдров, при высоких температурах практически не образуются, а их рост начинается с температуры ~ 1500K.

При всех температурах закалки происходит непрерывный процесс обновления икосаэдрических нанокластеров. за счет обмена атомами с ближайшим окружением. При температурах выше температуры стеклования этот процесс сопровождается полным обновлением икосаэдрической субструктуры, а при температурах ниже температуры стеклования происходит частичное обновление икосаэдрических нанокластеров путем взаимных переходов икосаэдров в координационные многогранники (0-1-10-2), (1-0-9-3), (0-2-8-2) и обратно.

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.