CC BY
10КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОР ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УДАРНЫХ ВОЛН
Липунов1 В.Н. аспирант, Маркидонов2 А.В., Лубяной3 Д.А.
1-Алтайский государственный технический университет им. И.И.
Ползунова, Барнаул, [email protected] 2-Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного
университета, Новокузнецк 3-Филиал Кузбасского государственного технического университета им.
Т.Ф. Горбачева в г. Прокопьевске
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10012
В рамках представленной работы была построена молекулярно-динамическая модель поры в кристаллите золота и проведено исследование ее структурных преобразований при тепловом и силовом воздействии на моделируемый кристалл, а также исследовано влияние ударных волн, возникающих в твердом теле при бомбардировке поверхности твердого тела высокоэнергетическими частицами [1, 2]. Моделирование проводилось при различных температурах расчетной ячейки. После установки температуры, система выдерживалась при ней в течение 5000 шагов (длина одного шага 5 фс), и затем следовала закалка. Полученная после этих действий структура подвергалась структурному анализу.
Расчеты показали, что при 300 К пора сохраняет сферическую форму и значительные структурные изменения не происходят. При 600 К в расчетной ячейке наблюдаются дислокации Ломер-Коттрелла, источником образования которых является поверхность поры (см. рис. 1). При 900 К наблюдается частичное растворение поры, а при 1200 К анализатор структуры уже не определяет атомы, соответствующие поверхности, что свидетельствует о полном растворении поры.
Рис.1. Сечение расчетной ячейки, содержащей пору и выдержанной при 600 К в течение 5000 шагов компьютерного моделирования
На следующем этапе исследовались расчетные ячейки, подверженные всесторонней деформации. Для создания деформации осуществлялось изменение параметра решетки, и, как следствие, атомы располагались на расстоянии, отличном от равновесного. Известно, что растягивающие напряжения стабилизируют пору, а сжимающие напряжения, наоборот, способствуют ее схлопыванию. Проведенное исследование показало, что при растяжении пора остается стабильной, и структурные изменения не наблюдаются. При сжатии расчетной ячейки пора трансформируется в два совмещенных тетраэдра дефекта упаковки, в котором четыре грани представляют собой дефекты упаковки вычитания в плоскостях {111}, а шесть ребер - это вершинные дислокации с вектором Бюргерса а/6 <110>. При этом если в случае величины деформации е = -1 % пора частично сохраняется, то уже при е = -2 % она схлопывается.
На заключительном этапе осуществлялось исследование влияния ударной волны, генерируемой в расчетной ячейке, на структурные изменения поры. Ударная волна создавалась следующим образом. Выделялся единичный слой граничных атомов расчетной ячейки. После этого выделенным атомам присваивалась скорость, в два раза превышающая скорость продольных упругих волн в золоте, и направленная вдоль плотноупакованного направления [1-10]. Выбор данного направления обусловлен тем, что из-за наличия механизмов фокусировки энергии, сферическая волна трансформируется во фрагменты плоских волн, распространяющихся именно вдоль плотноупакованных направлений. При выполнении исследования волны генерировались через каждые 500 шагов вычислений. Рассматривались ситуации с различной температурой и величиной деформации. Проведенное моделирование показало, что ударные волны вызывают различные структурные изменения поры. Так при температуре расчетной ячейки 300 К под действием волны пора разделяется на две части, а при 600 К наблюдается ее растворение.
Таким образом, методом молекулярной динамики проведено исследование структурных трансформаций поры при тепловом и силовом воздействии, а также под воздействием ударных волн. Показано, что разогрев расчетной ячейки способствует зарождению дислокаций Ломер-Коттрелла с последующим растворением поры. При деформации сжатия наблюдается перестройка поры в два совмещенных тетраэдра дефекта упаковки. Волны, в зависимости от условий моделирования, способствуют разделению или растворению поры, а также отщепления от нее групп вакансий.
Список литературы:
1. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Захаров П.В. Рост малых вакансионных скоплений, инициированный послекаскадными ударными волнами // Письма о материалах. 2012. Т.2(6). С. 111-114.
2. Маркидонов А.В., Лубяной Д.А. Компьютерное моделирование процесса укрупнения зерен в ГЦК-кристалле при облучении ускоренными частицами // Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика». Пермь. 2019. Т.2. C.530-534.
