Моделирование нанокристаллизации аморфных металлов при деформации

Цели работы:

1. Изучение изменений атомной структуры аморфных металлов при деформации.

2. Выработка навыков самостоятельного изучения первоисточников по моделированию процессов нанотехнологии, опубликованных в научных журналах на английском языке.

Используемые программы:

1) программа XMD; 2) программа создания расчетной ячейки г.ц.к. кристалла; 3) набор табулированных потенциалов для г.ц.к. металлов; 4) программа визуализации атомных структур RasMol.

Используемый источник:

Статья Lee B.-J., Lee C.S., Lee J.C. Stress induced crystallization of amorphous materials and mechanical properties of nanocrystalline materials: a molecular dynamics simulation study. Acta Materialia, 2003. V. 51. P. 6233-6240.

1. Введение

Кристаллизация аморфных сплавов является одним из важных процессов нанотехнологии, поскольку она позволяет управлять структурой сплавов на наноразмерном уровне. Этот процесс лежит в основе весьма распространенного метода получения нанокристаллов [1-3]. При определенных условиях отжига, благоприятствующих образованию центров кристаллизации, аморфные сплавы кристаллизуются с образованием нанокристаллов. Контролируя условия отжига, можно изменять размеры зерен от 2-3 нм до 100 нм и более.

Ряд экспериментальных исследований показал, что нанокристаллизация аморфных сплавов может быть активизирована путем пластической деформации [4]. Имеются также данные молекулярно-динамического моделирования кристаллизации аморфных сплавов при деформации.

Данная лабораторная работа по сути является повторением одной из таких работ, опубликованных в 2003 г. [5]. Для выполнения работы следует самостоятельно изучить процитированную статью в оригинале.

2. Краткое содержание работы

В указанной работе изучается кристаллизация аморфного никеля при деформации растяжением и механизмы пластической деформации образовавшегося нанокристалла.

В качестве исходной структуры подготавливается образец аморфного никеля в виде пластинки размерами 8´10´2 нм³ (в направлениях ). Для этого кристаллический никель выдерживается в течение нескольких десятков пикосекунд при температуре выше температуры плавления, затем система быстро охлаждается до температуры 300 К. Для моделирования деформации растяжением образец упруго удлиняется на 1% в направлении оси x, после чего проводится МД-релаксация в течение 10 пс при фиксированном новом размере образца в этом направлении. Растяжение моделируется повторением упругого удлинения и МД-релаксации. Скорость деформации, соответствующая этой процедуре, 10^‑2/10^‑11 с=10⁹ с^-1, очень велика по сравнению с экспериментально используемыми скоростями, что обусловлено недостатком МД ‑ ограниченным интервалом времени, доступным для моделирования. Все расчеты проводятся при температуре Т =300 К.

При подготовке аморфного «образца» моделирование осуществляется при периодических граничных условиях по всем трем направлениям, а при моделировании деформации используются периодические граничные условия в направлениях x и z, а в направлении y система имеет свободные поверхности и конечный размер, который может меняться в процессе деформации. Размер ячейки в направлении z фиксирован. Таким образом, моделируется ударная деформация растяжением аморфной тонкой пленки, бесконечно протяженной в направлениях осей x и z и имеющей толщину 10 нм по оси y, в направлении оси x в условиях плоской деформации.

В работе использованы два потенциала, основанных на модифицированном методе погруженного атома, что позволило авторам определить влияние потенциала на процесс. Явление кристаллизации наблюдалось в обоих случаях, но имелись количественные различия, связанные с отличием потенциалов. Поскольку задача данной лабораторной работы – качественное повторение результатов работы [5], будет использован один потенциал, построенный на простом методе погруженного атома.

Исходный «образец» аморфного никеля, подготовленный быстрым охлаждением жидкости, показан на рис. л9.1. На рис. л9.2 приведен тот же образец, подверженный деформации растяжением вдоль оси x до 40% (а) и выдержке при той же температуре T= 300 К в течение времени 400 пс, равного времени деформации (б). Видно, что после деформации произошла кристаллизация металла с образованием нанокристаллических зерен. Статическая выдержка при той же температуре к кристаллизации не приводит. Следовательно, именно деформация приводит к кристаллизации аморфного металла.

3. Задания на выполнение лабораторной работы

Основываясь на приведенном выше изложении и изучении оригинальной статьи и используя подготовленные для выполнения работы программы построения компьютерной модели идеального г.ц.к. кристалла, расчета РФР и примерные командные файлы для создания модели аморфного металла и его деформации, самостоятельно проделать описанные исследования.

Рис. л9.1. Исходный образец аморфного никеля, подготовленный для деформации растяжением. Размеры образца H_x =8 нм, H_y =10 нм, H_z =2 нм

Для моделирования процесса деформации рекомендуется воспользоваться командой

SCALE a b c,

которая умножает на величины a, b и c соответственно x, y и z- координаты всех частиц и размеры расчетной ячейки в соответствующих направлениях. Для того чтобы растянуть аморфный «образец» вдоль оси x, а в других направлениях размеры оставить неизменными, можно положить a>1, b=c=1. Составить цикл команд из 40 шагов, в каждом из которых образец растягивается на небольшую величину, после этого производится МД-релаксация в течение не менее чем 2000 шагов так, чтобы общая деформация составила величину порядка 1,5.

а б

  Рис. л9.2. Структура аморфного никеля, подвергнутого деформации до степени 40% в течение времени 400 пс (а) и статической выдержке в течение того же времени (б). В обоих случаях температура равна 300 К

Отчет по лабораторной работе должен подробно описывать все этапы исследования:

1. Построение модели аморфного металла, доказательства аморфного состояния полученной модели.

2. Моделирование деформации, полученные структуры при нескольких значениях деформации.

3. Радиальные функции распределения образцов, подвергнутых деформации 40% и статической выдержке.

4. Выводы из результатов исследования.

Литература

1. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит, 2001. 224 с.

1. Андриевский Р. А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. I. Особенности структуры. Термодинамика. Фазовые равновесия. Кинетические явления. Физика металлов и металловедение. 1999. Т. 88. № 1. С. 50-73.
2. Lu K. Nanocrystalline materials crystallized from amorphous solids: Nanocrystallization, structure, and properties. Mater. Sci. Eng. Reports, 1996. Vol. 16. P. 161-221.
3. Гундеров Д.В. Некоторые закономерности аморфизации и нанокристаллизации при интенсивной пластической деформации кристаллических и аморфных сплавов. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ», 1404, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/151.pdf.
4. Lee B.-J., Lee C.S., Lee J.L. Stress induced crystallization of amorphous materials and mechanical properties of nanocrystalline materials: a molecular dynamics simulation study. Acta Materialia, 2003. Vol. 51, P.6233–6240.

Заключение

Итак, с помощью данного пособия Вы изучили основы компьютерного моделирования материалов и применили эти знания для моделирования различных дефектов кристаллического строения, наночастиц и простейших процессов нанотехнологии. При этом Вы использовали свободно распространяемую готовую научную программу молекулярной динамики XMD. В этом отношении Вы уподобились экспериментаторам. Последним не всегда, теперь даже далеко не всегда, необходимо строить свои уникальные приборы и установки для исследования. Физическое исследование в подавляющей степени опирается на использование современных приборов и установок, изготавливаемых специализированными фирмами. Основной задачей исследователя является выбор приборов и методов, подходящих для решаемой им задачи, и правильное их использование для изучения интересующих его объектов и процессов. В точности так же исследователь, желающий моделировать с помощью атомистических методов материалы и процессы, может использовать готовые программы, которые, в отличие от реальных физических установок, еще имеют особенность не ломаться (если, конечно, Ваш компьютер не заражен вирусами). Использование готовых программ, однако, подразумевает, что они не должны являться своего рода черным ящиком, Вы должны понимать, как они работают, и как с их помощью решать поставленные Вами задачи. Именно этому мы старались научить Вас с помощью этого пособия.

Если Вы заинтересовались методами атомистического моделирования и хотите углублять Ваши знания и развивать навыки дальше, на следующих страницах Вы найдете список рекомендуемых для дальнейшего чтения книг, а также список нескольких Интернет-страниц, посвященных молекулярно-динамическому моделированию конденсированных сред. Чтение этих книг, обращение к указанным Интернет-страницам позволит Вам стать профессионалом в области атомистического моделирования материалов, наноструктур и нанотехнологий, а также многого другого, которая развивается так же быстро, как развиваются информационные технологии, и играет все большую роль в углублении нашего понимания строения и поведения материалов.

Дата добавления: 2015-10-02