Стеклообразующая способность системы Ag-Ni Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 538.911:539.213

СТЕКЛООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ Ag-Ni

А.В. Миленин, А.Ю. Прядильщиков, А.А. Маливанчук

Методом молекулярной динамики изучено влияние концентрации компонентов в металлических стеклах системы Ag-Ni на их склонность к аморфизации. Показано, что оптимальному соотношению компонентов сплава отвечает сплав Ni6oAg4o

Ключевые слова: металлическое стекло, молекулярная динамика, икосаэдр

1. Введение

Уникальные свойства металлических стекол (МС) определяются спецификой их атомной структуры. хорошо зарекомендовавшие себя за многие десятилетия при изучении кристаллических материалов К ним не применимы из-за отсутствия трансляционной симметрии традиционные методы анализа и подходы, к которым относятся, прежде всего, дифракционные методы и дислокационные представления. В этой связи анализ атомной структуры стекол, их эволюции при температурных или механических воздействиях остается приоритетной задачей физики неупорядоченных систем.

В настоящее время достигнуты определенные успехи в раскрытии закономерностей атомной структурной организации МС [1-7]. В работах [8-9] методом молекулярной динамики на основе статистико-геометрического анализа, построения многогранников Вороного установлены

закономерности перестройки координационных многогранников в процессе стеклования. Показано, что фундаментальной основой структурной организации МС чистых металлов и сплавов металл-металл является образование перколяционного фрактального кластера из взаимопроникающих и контактирующих между собой несовместимых с трансляционной симметрией икосаэдров, который играет роль сдерживающего кристаллизацию связующего каркаса. Формирование

перколяционного кластера, обладающих фрактальной геометрией, происходит и в процессе фазового перехода стекло - жидкость в оксидах

кремния и германия [10].

Целью данной работы было исследование методом молекулярной динамики влияния концентрации компонентов на степень икосаэдричности, и как следствие, на термическую стабильность металлического стекла Ni-Ag.

2. Методика эксперимента

Для изучения была выбрана двухкомпонентная система Ni-Ag, как образец системы с большим несоответствием размеров атомов (~15%) и крайне

Миленин Андрей Викторович - ВГ ТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, E-mail: mileninum@mail.ru

Прядильщиков Алексей Юрьевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, E-mail: azurit@yandex.ru

Маливанчук Александр Анатольевич - ВГТУ, аспирант, E-mail: furlong@mail.ru

слабой растворимостью компонентов друг в друге как в твердом, так и в жидком состоянии. Этот выбор продиктован тем, что в условиях более низкой энергии взаимодействия между атомами разного сорта (Ag и №), чем между атомами одного сорта (Ag или №), доминирующая роль в композиционном упорядочении останется за размерным фактором - отношением атомных радиусов Ag и №. Относительная величина несоответствия (а^-амУа^ составляет 0,33.

Было изучено влияние концентрации компонентов на степень икосаэдричности сплава, как одного из критериев стеклообразующей способности системы. Были исследованы 11 моделей, концентрации компонентов которых изменялись через каждые 10%, начиная со 100% № и заканчивая 100% Ag.

Молекулярно-динамические модели

сплавов NiХ-Agl00-Х содержали 100000 атомов в основном кубе с периодическими граничными условиями. Взаимодействие между атомами рассчитывались в рамках метода погруженного атома [11].

В качестве исходных моделей были взяты случайные плотные упаковки атомов. Модели сплавов NiХ-Agl00-Х были построены с плотностями, обеспечивающими минимальную величину гидростатического давления модели.

Анализ проводился по следующей

методической схеме. Модели выдерживались при температуре Т = 1173 К (900°С) в течении 10000 временных шагов, величина временного шага составляла 1.5 • 10-15 с. Затем методом статической релаксации фиксировались равновесные положения атомов и проводился анализ структуры путем построения координационных многогранников.

3. Результаты и их обсуждение

Проведенный анализ координационных

многогранников позволил установить, что

максимальное количество икосаэдров приходится на состав с 40% Ag (рис. 1), где их насчитывалось более 6000, а задействованных в их построении атомов - 49% от общего количества. Отметим, что число икосаэдров в чистом № в три раза, а в чистом Ag в 2,2 раза меньше, чем в сплаве Ni60Ag40. Полученные данные свидетельствуют о том, что путем комбинационного упорядочения атомов разного сорта при определенной концентрации удается получить максимальное число икосаэдров в системе.

% Ag

Рис. 1. Концентрационная зависимость количества икосаэдров (Ы) и количества атомов, задействованных в их построении (Ы') в системе Ni-Ag.

Число атомов, задействованных в построении одного икосаэдра в сплаве Ni6oAg4o, равно 8, то есть на 5 атомов меньше, чем для изолированного икосаэдра. Для МС чистых металлов Ag и № эти величины равны соответственно 10 и 11,5.

4. Заключение

Увеличение общего числа атомов,

задействованных в построении икосаэдров, и уменьшение числа атомов, приходящихся на один икосаэдр, свидетельствует об уплотнении

структуры, об образовании конгломератов из взаимопроникающих икосаэдров. Образование

таких конгломератов является результатом

распределения атомов разного сорта в вершинах икосаэдров при обязательном наличии атома меньшего размера в их центрах.

На основе полученных данных можно сделать вывод о то, что сплав Ni60Ag40 наиболее склонен к аморфизации.

Литература

1. Reichert H., Klein O., Dosch H., Denk M., Honkimaki V., Lippmann T., Reiter G. Observation of Five-Fold Local Symmetry in Liquid Lead // Nature. - 2000. - Vol.408. -№6814. - P.839-841.

2. Schenk T., Holland-Moritz D., Simonet V., Bellissent R., Herlach D.M. Icosahedral Short-Range Order in Deeply Undercooled Metallic Melts // Phys. Rev. Lett. -2002. -Vol.89. - №7. - P.075507-1-4.

3. Holland-Moritz D., Schenk T., Bellissent R., Simonet V., Funakoshi K., Merino J. M., Buslaps T., Reutzel S. Short-Range Order in Undercooled Co Melts // J. Non-Cryst. Solids. -2002. - Vol. 312-314. - P.47-51.

4. Di Cicco A., Trapananti A., Faggioni S., Filipponi A. Is There Icosahedral Ordering in Liquid and Undercooled Metals? // Phys. Rev. Lett. - 2003. - Vol.91. - №13. -P.135505-1-4.

5. W. K. Luo, H.W. Sheng, F. M. Alamgir et. al., Icosahedral Short-Range Order in Amorphous Alloys // Phys. Rev. Lett 2004. - vol. 92 - №14 - 145502

6. H. W. Sheng, W. K. Luo, F. M. Alamgir, J. M. Bai, E. Ma, Atomic packing and short-to-medium range order in metallic glasses // Nature. - 2006.- 439. - 419-425.

7. P. Ganesh, M. Widom, Signature of nearly icosahedral structures in liquid and supercooled liquid copper// Phys. Rev. - 2006. - B - 74. - P. - 134205-1-7

8. Евтеев А.В., Косилов А.Т., Левченко Е.В.

Структурная модель стеклования чистых металлов // Письма в ЖЭТФ. 2002. - Т. 76. Вып. 2. - С. 115-117.

9. Евтеев А.В., Косилов А.Т., Левченко Е.В., Атомные механизмы стеклования чистого железа // ЖЭТФ. 2004. Т. 126. Вып. 3(9). С. 600-608.

10. Ожован М.И. Топологические характерис-тики связей в оксидных системах SiO2, и SiO2 при переходах стекло-жидкость // ЖЭТФ. 2006. Т. 130. Вып.5(11). С. 944956.

11. Лихачев В. А. Принципы организации аморфных структур/ В.А. Лихачев, В.Е. Шудегов. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1999. - 228 с.

Воронежский государственный технический университет

GLASSBORN ABILITY OF Ag-Ni SYSTEM

А/V. Milenin, А.У. Pryadilzhikov, А.А. Malivanchuk

By molecular dynamics method has been investigated influence of concentration components in metallic glasses of system Ag-Ni to their ability to glassborn. It has been shown, that alloy Ni60Ag40 is optimal to glassborn

Key words: metallic glasses, molecular dynamics, icosahedra