Атомные механизмы изменения структурно-фазового состава интерметаллидов в процессе деформации

УДК 539.21

АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТАВА ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМАЦИИ

© Е.А. Дудник, М.С. Скоробогатов, Д.В. Дудник

Ключевые слова: интерметаллиды; атомные механизмы деформации; структурные домены.

Исследованы структурные изменения нанокристалла на основе интерметаллида под воздействием одноосной деформации, выявлены характерные особенности и условия активация атомных механизмов. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с характеристиками структурных доменов, полученных под воздействием интенсивной пластической деформации.

Новые механизмы миграции и самоорганизации сверхструктурных особенностей вблизи трансляционных границ структурных доменов, которые являются существенным препятствием для движения дислокаций, могут быть использованы при создании новых методов нанотехнологий для улучшения прочностных свойств сплавов.

Объектом исследования является нанокристал на основе №зА1. Атомы находятся в узлах трехмерной кубической гранецентрированной кристаллической решетки (24x24x24 атомов). В качестве граничных условий задаются координаты и скорости атомов. В начальный момент времени: начальные положения атомов определены узлами кристаллической решетки, начальные скорости атомов полагаются равными нулю. Краевые условия представляют собой матрицу в виде куба, соединенную с фильерой (усеченной четырехугольной пирамидой в нижней части). Принципиальная схема метода интенсивной пластической деформации (ИПД) представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема метода интенсивной пластической деформации

Пуансон оказывает непосредственное давление на обрабатываемый нанокристалл, при прохождении через фильеру - формующую часть установки. Происхо-

1574

дит выдавливание кристалла через отверстие. Таким образом, активизируются механизмы интенсивной пластической деформации, затем происходит преобразование структуры кристалла в конечное равновесное состояние, характеризующееся минимумом энергии системы. При моделировании процесса деформации использовались следующие характеристики: угол сужения фильеры (11°), скорость пуансона (2 А/пс).

В результате эксперимента получен кристалл после интенсивной пластической деформации (рис. 2).

О

о

Рис. 2. Структура кристалла: выделены области структурных доменов, точками - некристаллические области

Проведен анализ доменной структуры нанокристалла, выявлены области кристалла, характеризую-

щиеся почти правильным порядком расположения атомов в узлах гексагональной решетки. За счет стыков доменов сплав упрочняется, что подтверждается экспериментальными данными.

В следующем эксперименте исследовалась структурно-энергетическая трансформация трехмерного кристалла N1^ под действием одноосной деформации методом молекулярной динамики.

Инициализировался расчетный блок кристалла из (24x24x36) атомов. На границы блока накладывались свободные граничные условия в направлениях <100>, <010> и жесткие в направлении растяжения <001>.

Динамическая одноосная деформация растяжения задавалась посредством поступательного смещения всех атомов, составляющих жесткие границы, вдоль оси <001> на 0,002 нм через 10-13 с, что соответствует скорости деформации 3,2-109 с-1. Компьютерный эксперимент выполнялся при температуре 300 К, которая корректировалась через каждые 10-13 с. На любом этапе деформации предполагалась возможность последующего охлаждения расчетного блока с целью детального анализа структурных изменений, произошедших в нем. В зависимости от времени построен график изменения запасаемой энергии деформации в сплаве №^1

В результате одноосной деформации растяжением вдоль <001> до разрушения образца N1^ выяснены механизмы образования доменов на четырех стадиях процесса деформации. На первой упругой стадии деформации включались механизмы самоорганизации точечных дефектов и образования флуктуационных дефектов (до 50 пс). В начале второй стадии пластической деформации произошло проскальзывание частей образца с образованием двух антифазных доменов. В упорядочивающихся сплавах носителями пластической деформации являются сверхдислокации, в структуру которых входят антифазные границы и дефекты упаковки. Для второй стадии характерны механизмы сверхструктурных превращений, в результате которых идет формирование доменной структуры. Третья стадия течения связана с механизмами сверхструктурной перестройки, преимущественно в области шейки, образовавшейся в конце второй стадии на 300 пс, в которой отсутствует атомный порядок с потерей кристалличности. На последней стадии разрушения происходила релаксация двух частей атомного блока кристалла путем сверхбыстрого охлаждения, обнаружено образование двойников, дефектов упаковки в области сильной деформации образца.

Схемы формирования доменной структуры в сплаве №3А1 при одноосной деформации представлены на рис. 3. С использованием визуализаторов смещений атомов можно разбить деформируемый блок кристалла первой стадии на отдельные фрагменты, в которых атомы перемещаются коллективно по приоритетным направлениям.

Система стремится компенсировать деформацию в направлении <001> за счет смещений атомов в направлениях <100>, <010> , которые имеют дополнительную степень свободы на поверхности кристалла, блоки смещений атомов по направлениям <100>, <001> сты-

куются на границе в суммарном направлении этих векторов. Вторая стадия пластической деформации связана с самоорганизацией структурных доменов.

б)

Рис. 3. Формирование доменной структуры в сплаве Ni3Al при одноосной деформации: а), б) на поверхности, внутри кристалла при температуре 300 К

В процессе фазового перехода выявлены сверх-структурные превращения формирования доменной структуры в упорядочивающихся сплавах: образуются структурные домены, которые являются геометрически необходимыми и метастабильными дефектами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дудник Е.А. Исследование механизмов миграции дефектов вакан-сионного типа в двумерном упорядоченном сплаве Ni3Al // Изв. РАН. Серия физическая. 2005. Т. 69. № 7. C. 977-980.

2. Скоробогатов М.С., Дудник Д.В., Дудник ЕА. Моделирование процесса интенсивной пластической деформации в сплаве Ni3Al (111) // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 1247-1252.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Dudnik E.A., Skorobogatov M.C., Dudnik D.V. NUCLEAR MECHANISMS OF CHANGES OF STRUCTURAL-PHASE COMPOSITION OF INTERMATALICC COMPOUNDS IN DEFORMATION PROCESS

Structural changes nanocrystal on the basis of intermatallic compounds under the influence of uniaxial strain is studied, the features and conditions of the activation of the atomic mechanisms are identified. The comparative analysis of the obtained results with the characteristics of structural domains, received under the influence of severe plastic deformation is made.

Key words: intermatallic; nuclear deformation mechanisms; structural domains.

1575