Структурные превращения вакансионных пор под воздействием ударных волн

УДК 538.911

СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВАКАНСИОННЫХ ПОР ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УДАРНЫХ ВОЛН

© М.Д. Старостенков, А.В. Маркидонов, Е.П. Павловская

Ключевые слова: вакансионная пора; дефект упаковки; волна; метод молекулярной динамики; метод погруженного атома.

Методом молекулярной динамики изучается процесс структурной перестройки вакансионных пор под воздействием ударных послекаскадных волн. Показано, что в зависимости от временных интервалов, через которые генерируются волны, температуры, а также размера пор, они могут либо объединяться в единый комплекс, либо дробиться на отдельные составляющие.

Известно, что воздействие концентрированных потоков энергии при корпускулярном или лазерном излучении на кристаллические структуры приводит к образованию точечных дефектов. Основным механизмом релаксации метастабильных ансамблей таких дефектов является нуклеация и кластеризация, и, в частности, образование пор из пересыщенного раствора вакансий. Образование пор может приводить к изменению механических свойств материала, а также его объема. Движущей силой дальнейшей диффузионной эволюции вакансионных пор является стремление к уменьшению свободной поверхности. При этом различают две тенденции: коалесценция пор с уменьшением их общей поверхности при неизменном объеме, когда пикномет-рическая плотность остается постоянной («внутреннее» спекание), и залечивание отдельных пор с увеличением пикнометрической плотности («внешнее» спекание) [1].

Воздействие концентрированных потоков энергии также может приводить к формированию ударных волн, получивших название послекаскадных [2]. Их возникновение обусловлено различием между временем термализации атомных колебаний в некоторой конечной области и временем отвода из нее тепла. В результате резкого расширения сильно разогретой области формируется почти сферическая ударная волна. Распространение ударных послекаскадных волн может приводить к ряду интересных эффектов: течение бездефектного материала с перемешиванием атомов среды, аномальный массоперенос, бездиффузионные процессы, фазовые превращения, резкое увеличение числа смещений на атом в объеме материала, даже в отсутствие температуры, необходимой для начала процессов диффузии и т. д.

Целью настоящей работы является исследование влияния послекаскадных ударных волн на процессы структурных превращений пор.

Рассматриваемые в работе явления отличает малый размер исследуемых областей, что затрудняет прямые наблюдения. Поэтому наиболее рациональным видится использование методов компьютерного моделирования. В качестве метода компьютерного моделирования был выбран метод молекулярной динамики. Исследование проводилось с помощью пакета МД-модели-

рования ХМБ [3]. В качестве потенциальной функции межатомного взаимодействия использовался потенциал Джонсона, рассчитанный в рамках метода погруженного атома. Шаг интегрирования равнялся 5 фс. Температура расчетной ячейки задавалась путем присвоения атомам случайных скоростей в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана для указанной температуры. Моделирование проводилось при постоянной температуре. Для сохранения температуры расчетной ячейки использовался термостат Андерсена.

Моделируемый кристаллит золота имел форму параллелепипеда. Для исключения влияния поверхностных эффектов использовались периодические граничные условия по всем направлениям. Для создания поры в кристаллической структуре задавалась сфера с некоторым радиусом. Затем центр сферы совмещался с одним из узлов решетки, и удалялись все атомы, попадающие в эту сферу. После удаления атомов осуществлялась структурная релаксация расчетной ячейки до прихода системы в состояние с минимальной энергией. Для создания ударной волны атомам, расположенным на границе расчетной ячейки, сообщалась скорость, в два раза большая скорости звука вдоль направления <110>. После выполнения заданного количества шагов компьютерного эксперимента следовала структурная релаксация системы при 0 К. Для визуализации получившейся структуры использовался визуализатор наложения плотноупакованных рядов, состоящий из линий, соединяющих атомы в трех плотноупакованных направлениях.

Для начала рассмотрим процесс структурных превращений одиночной поры. Данная конфигурация вакансий остается стабильной, вплоть до температуры 0,457’1Ш. При более высоких температурах наблюдается перестройка пор в тетраэдр дефектов упаковки. Проведенное исследование показало, что при начальной температуре расчетной ячейки 300 К ударная волна инициирует перестройку одиночной поры, состоящей из 38 вакансий, в сдвоенный тетраэдр дефектов упаковки. Причем часть вакансий отщепляется от поры, образуя малый тетраэдр, а на месте поры образуется тетраэдр большего размера.

1743

При прохождении ударной волны через пору, состоящую из 337 вакансий, отщепляется около третьей части вакансий, которые начинают смещаться в направлении, противоположном направлению распространения волны. При этом если температура расчетной ячейки составляет 300 К, то «родительская» пора остается на месте (см. рис. 1а), а в случае температуры, равной 600 К, она начинает растворяться (см. рис. 1б).

а) б)

Рис. 1. Структурные изменения поры, состоящей из 337 вакансий, под воздействием ударных волн. Температура расчетной ячейки 300 К (а) и 600 К (б). Волны распространяются слева направо относительно рисунка

Рассмотрим теперь процесс диффузионной эволюции двух пор равного размера. Будем рассматривать наиболее простой вариант, когда поры имеют общее ребро. Необходимо оговорить, что речь идет не о сферах, а о тетрадекаэдрах, т. к. в ГЦК решетке именно данная форма пор имеет наименьшую поверхностную энергию. Проведенное исследование показало следующее. Ударные волны могут вызывать различные трансформации вакансионных пор, даже при температуре, недостаточной для начала термоактивации данных процессов. При этом протекающие структурные трансформации зависят от временных интервалов, через которые генерируются ударные волны в расчетной ячейке. Так, при генерации десяти ударных волн через 500 шагов компьютерного эксперимента часть вакансий смещается в направлении источника волн, а при генерации того же числа волн через 1000 шагов формируется комплекс вакансий, представляющий собой неправильный тетраэдр дефектов упаковки. При этом образовавшийся тетраэдр имеет более правильные очертания со стороны источника волн.

В заключение рассмотрим эксперименты с порами разных размеров. В работе [4] было показано, что ма-

лые вакансионные скопления, представляющие собой сдвоенный тетраэдр дефектов упаковки, являются наиболее устойчивой конфигурацией вакансий при прохождении через кристаллическую структуру ударных волн, при этом волны преодолевают их с минимальными потерями энергии. Компьютерный эксперимент показал, что при расположении вблизи большой поры комплекса из 4 вакансий он будет поглощен порой в результате прохождения через кристалл ударных волн.

Описанные в настоящей работе эксперименты свидетельствуют о том, что ударные послекаскадные волны могут вызывать различные структурные перестройки вакансионных пор. Так, в зависимости от интервалов генерации волн, температуры расчетной ячейки, а также размера пор может наблюдаться либо их объединение в единый комплекс, либо дробление пор на отдельные составляющие.

Развиваемые положения могут найти свое применение как в радиационном материаловедении, так и при прогнозировании поведения материалов, эксплуатируемых в экстремальных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черемской П.Г., Слезов В.В., Бетехтин В.И. Поры в твердом теле. М.: Энергоатомиздат, 1990. 376 с.

2. Овчинников В.В. Радиационно-динамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных сред // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. № 9. С. 991-1001.

3. XMD - Molecular Dynamics for Metals and Ceramics. URL:: http://xmd.sourceforge.net/about.html. Загл. с экрана.

4. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Обидина О.В. Агрегатиза-ция вакансий, инициированная послекаскадными ударными волнами // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9. № 4. С. 548-555.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-02-31135 мол_а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Starostenkov M.D., Markidonov A.V., Pavlovskaya E.P. STRUCTURAL TRANSFORMATIONS OF VACANCY PORES UNDER INFLUENCE OF SHOCK WAVES

Restructuring process under the influence of vacancy voids post-cascade shock waves are studied by molecular dynamics. Depending on the time slots, which are generated by waves, temperature, and pore size, they can either be combined into a single complex, or break up into separate parts, is shown.

Key words: vacancy pore; stacking fault; wave; method of molecular dynamics; EAM.

1744