О новом механизме генерации дефектов на границах раздела. Молекулярно-динамическое моделирование

О новом механизме генерации дефектов на границах раздела.

Молекулярно-динамическое моделирование

С.Г. Псахье, Т.Ю. Уваров, К.П. Зольников

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

На основе молекулярно-динамического моделирования растяжения кристаллита меди показано, что генерация дефектов инициируется на границе областей с несоразмерной деформацией. Исследован начальный этап зарождения пластической деформации, обусловленный формированием блоков наноскопического размера. Предложен новый механизм генерации дислокаций в материалах в зонах несоразмерной деформации.

Проблема понимания элементарных актов пластической деформации металлических материалов безусловно является одной из наиболее актуальных в физике твердого тела и материаловедении. В работах [1-4] отмечалось, что природа этих процессов более сложна, чем это часто полагается, и это связано прежде всего с тем, что деформируемый материал является сложной иерархически организованной системой. Прежде всего это относится к гетерогенным материалам, а практически все реально используемые материалы (в особенности композиционные) и являются таковыми.

Как показано в цикле работ В.Е. Панина, посвященных мезомеханике границ раздела, механические свойства гетерогенных материалов и изделий из них в значительной степени определяются свойствами границ раздела. Так, например, в работах [5, 6] показано, что пластическая деформация материала зарождается прежде всего на границах раздела и природа этого явления лежит в несоразмерности деформации граничащих областей.

Следует отметить, что микроскопические механизмы этого явления до сих пор детально не исследовались, хотя о роли несоразмерности деформации на атомном уровне говорят, в частности, результаты, полученные также в [7, 8]. В этих работах было показано, что даже незначительная несоразмерность деформаций, имею-

щая место на границе зерен, может приводить к выраженному вихревому характеру атомных смещений, который при определенных условиях может являться механизмом реализации высокоскоростного (600 м/с) перемещения межзеренной границы.

Как следует из сказанного выше, значительный интерес представляет моделирование границ раздела областей с несоразмерной деформацией для выявления возможных источников элементарных носителей пластической деформации. С этой целью в настоящей работе в условиях механического нагружения исследовалось поведение атомной подсистемы на границе раздела двух областей. Область I (рис. 1) представляла собой деформируемый кристаллит, а область II — абсолютно жесткую недеформируемую структуру. Такое разбиение позволило явно моделировать эффект несоразмерности деформации.

Вдоль направления [001] использовались периодические граничные условия; вдоль направления [100] моделировались свободные поверхности. Образец меди содержал около 9000 атомов. Один из захватов (область III) двигался с постоянной скоростью (около 40 м/с) вдоль направления [010] (рис. 1). Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики [9, 10]. Межатомные взаимодействия описывались в рамках метода погруженного атома [11, 12].

© Псахье С.Г., Уваров Т.Ю., Зольников К.П., 2000

Рис. 1. Схема нагружения кристаллита

На рис. 2 показана эволюция атомной структуры фрагмента, отмеченного пунктиром на рис. 1, в процессе нагружения. Хорошо видно, что на начальной стадии нагружения максимальные смещения атомов имеют место вблизи свободной поверхности кристаллита в области контакта с подложкой. Именно в этой области, как следует из рис. 2, и начинается формирование приповерхностного блока. Анализ результатов моделирования показал, что данный блок формируется путем де-

формации атомной структуры главным образом в плоскостях (010) (рис. 3). Причиной формирования такого блока является несоразмерность деформации области I моделируемого кристаллита с абсолютно жесткой, недеформируемой подложкой. Кроме того, хорошо видно, что имеют место множественные локальные конфигурационные превращения.

Очевидно, что изменение атомной структуры в приповерхностных блоках не может обеспечивать диссипацию энергии при значительных степенях деформации. Это с неизбежностью приводит к вовлечению объемных областей в процесс диссипации энергии нагружения. На рис. 2, в видно, что в объеме кристаллита на границе с приповерхностным блоком формируется следующий блок, который повернут относительно исходной структуры моделируемого материала. Следует отметить, что граница между этими блоками релак-сирует путем излучения дислокации, что хорошо видно на рис. 2, в. В результате в приповерхностном блоке восстанавливается структура исходного кристаллита. Это достаточно хорошо видно на рис. 4, где моделируемый кристаллит показан при разных углах наблюдения, что также позволило явно выделить формирующиеся блоки и оценить их характерный размер. Анализ показал, что размер блока в направлении [100] составляет около 50 атомных единиц длины.

Рис. 2. Характерные этапы изменения атомной структуры на границе областей I и II в моменты времени: 4.3 • 105

Рис. 3. Изменение структуры плоскости

Рис. 4. Фрагмент моделируемого образца при различных углах наблюдения

Таким образом, проведенные расчеты показали, что в процессе нагружения в металлах могут формироваться объемные дефекты в виде блоков наноскопического размера. Полученные результаты позволяют предложить новый механизм генерации дислокаций в материалах как составляющую процесса формирования блоков и их последующего сопряжения.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность академику В.Е. Панину за плодотворные обсуждения, которые позволили глубже понять полученные результаты.

Работа была выполнена в рамках проекта “Компьютерное конструирование градиентных композиционных материалов конструкционного и функционального назначения для объектов техники энергетического и нефтегазового комплексов и разработка технологий их производства” Федеральной целевой научно-технической программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения”, подпрограмма “Новые материалы” (шифр 04.01.05.001).

Литература

1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т. Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел // Изв. вузов. Физика. -1982. - Вып. 25. - № 6. - С. 5-27.

2. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -

1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.

3. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. и др. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. - Киев: Наукова думка, 1989. - 320 с.

4. Лихачев В.А., Волков А.Е., Шудегов В.Е. Континуальная теория дефектов. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1986. - 228 с.

5. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - 298 с. и 320 с.

6. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.

7. Psakhie S.G., Korostelev S.Yu., Negreskul S.I. et al. Vortex mechanism of plastic deformation of grain boundaries. Computer simulation // Phys. Status Solidi B. - 1993. - V. 176. - P. 41-44.

8. Псахъе С.Г., Зольников К.П. О возможности вихревого механизма перемещения границ зерен при высокоскоростном сдвиговом нагружении // ФГВ. - 1998. - Т. 34. - № 3. - С. 126-128.

9. Псахъе С.Г., Зольников К.П., Коростелев С.Ю. О нелинейном отклике материала при высокоскоростной деформации. Атомный уровень // Письма в ЖТФ. - 1995. - Т. 21. - Вып. 13. - С. 1-5.

10. Псахъе С.Г., Зольников К.П., Сараев Д.Ю. Нелинейные эффекты при динамическом нагружении материала с дефектными областями // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24. - Вып. 3. - С. 42-46.

11. Берч А.В., Липницкий А.Г., Чулков Е.В. Поверхностная энергия и многослойная релаксация поверхности ГЦК-переходных металлов // Поверхность. - 1994. - № 6. - С. 23-31.

12. Eremeev S.V., Lipnitskii A.G., Potekaev A.I. and Chulkov E.V. Diffusion activation energy of point defects at the surfaces of FCC metals // Physics of Low-Dimensional Structures. - 1997. - No. 3/4. - P. 127-133.