Компьютерное моделирование атомных механизмов деформации и разрушения тугоплавких карбидов методом молекулярной динамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АТОМНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ КАРБИДОВ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

В.В. Огородников

Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, 03142, Киев, Украина

Особо тугоплавкие материалы, к которым, прежде всего, относятся карбиды переходных металлов IV-VI групп (Тпл до 4000єС), обладают также особо высокой твердостью и хрупкостью, что обусловило их широкое применение в инструментальной обрабатывающей и абразивной промышленности. Естественным является применение этих материалов и в конструкциях высокотемпературного назначения, особенно в атомной и авиакосмической технике. При этом к ним предъявляются все новые требования, не только как к огнеупорным материалам с пассивной стойкостью к высоким температурам, но и как к конструкционным материалам, заменяющим металлические сплавы, теряющие свою конструкционную прочность при температурах выше 1200 єС.

Из-за природной твердости и хрупкости тугоплавких соединений, а также низкой стойкости к высокотемпературному окислению ряда из них, они не могут применяться в чистом виде. Поэтому изобретаются разнообразные составы новых композитов и технологических приемов их получения с целью придать им конструкционные свойства, сохраняющиеся хотя бы до 1400-1600єС. В отличие от традиционных тугоплавких сплавов, высокотемпературные композиты еще не имеют такой же мощной материаловедческой базы и исследования носят, в основном, эмпирический характер. Это требует большого объема трудоемких и высокозатратных исследований.

Молекулярно-динамическое моделирование является новым перспективным направлением в теоретическом материаловедении, использующим высокоэффективные вычислительные средства и специальное программное обеспечение для исследования свойств материалов на атомистических моделях. Особый интерес представляют модели, имитирующие реальную атомную структуру материала, в которой содержатся различные кристаллографические дефекты, примеси, легирующие элементы, фазовые составляющие и т. п. Компьютерные программы и модели позволяют осуществить быстрый перебор элементного состава, структурных состояний, внешних факторов и других многочисленных параметров, определяющих свойства и поведение композитов в заданных условиях. Конечно, это становится возможным лишь при создании достаточно реалистических и развитых моделей. Теоретические расчеты в этом случае приобретают вид вычислительных, или компьютерных, экспериментов, облегчая в какой-то мере эмпирические поиски. Среди тугоплавких карбидов особый интерес представляет псевдобинарная система TiC - ZrC, характеризующаяся неограниченной взаимной растворимостью при высоких температурах и куполом распада твердых растворов с максимумом при 2000єС в области эквимолярного состава [1]. При исследовании ползучести сплавов TiC - ZrC [2] и горячего прессования смеси порошков TiC и ZrC [3] было обнаружено аномально резкое увеличение скорости деформации выше 2300єС, что было объяснено проявлением сверхпластичности. В зависимости от технологических режимов получения, структуры распада характеризуются большим разнообразием наноструктурного строения и физико-механических свойств - от сверхвысокой твердости и хрупкости до сверхпластичности. Исследование природы этих свойств и атомных механизмов поведения разными методами, в том числе методом компьютерного МД-моделирования, имеет большое научное и практическое значение.

Наиболее широкое распространение компьютерное моделирование получило при исследовании классических металлов и простых полупроводников с явно выраженной металлической или ковалентной связью между атомами. Значительно меньше работ посвящено материалам со сложными гетеродесмическими межатомными связями. К таким материалам относятся и особотугоплавкие материалы, такие как карбиды, бориды и нитриды d-переходных металлов. Поэтому в данном исследовании большое место занимает разработка исходных позиций моделирования, а именно исследование межатомных взаимодействий, разработка и тестирование специальных межатомных потенциалов, соответствующих алгоритмов молекулярной динамики, моделей изучаемых процессов и программного комплекса для их обсчета.

Для тугоплавких карбидов имеется лишь несколько работ, в которых использованы разные приближения для получения потенциалов [4, 5]. Однако, эти потенциалы недостаточно тестированы и не применялись для МД-расчетов. В данной работе было сочтено целесообразным вначале провести детальные исследования изучаемых материалов с помощью простой парнопотенциальной модели. Такая модель может быть достаточно успешной, если аккуратно подобраны параметры потенциалов, тщательно тестирована МД-модель и структура материала близка к модели упругих шаров. Последнее условие в значительной степени соответствует структуре тугоплавких карбидов, нитридов и боридов, которые получили название «фазы внедрения», так как часто рассматриваются в виде плотной упаковки металлических шаров, между которыми в пустые промежутки внедрены меньшие по размеру атомы углерода, азота или бора. Кроме того, они называются также металлоподобными, так как обладают металлической проводимостью, а направленность и ионность связей в них слабо выражены. Отметим также, что модель «внедрения» успешно используется во многих полуэмпирических расчетах. Таким образом, можно ожидать, что парнопотенциальное приближение позволит получить полезные результаты, определить рамки его применимости и послужит хорошей отправной точкой для последующих приближений. Кроме того, парнопотенциальная модель позволяет проводить масштабные компьютерные эксперименты с большим числом атомов и быстро вводить коррективы в параметры потенциалов на основе анализа получаемых результатов.

Несмотря на то что, было использовано парное приближение, для получения параметров парных потенциалов применялись первопринципные расчеты. Было проведено прямое первопринципное решение двухчастичной задачи для каждой пары атомов данной системы с использованием известной программы Gaussian G98w и адаптация этих результатов, по специальной процедуре, к взаимодействию атомов в твердом теле в парном приближении. Это делалось для того, чтобы можно было учесть реальный ход зависимости энергии взаимодействия от расстояния, особенно для разнородных атомов, для которых нет соответствующих данных. Схема расчета и параметры полученных потенциалов приведены в докладе в аналитическом виде, представленном известными энергетическими зависимостями Роуза и Морзе. Далее была составлена программа МД-расчетов для системы TiC - ZrC и проведено тестирование потенциалов, включающая расчет равновесных значений периода и энергии когезии идеальной решетки, а также структурная устойчивость нанокристаллов карбидов со свободными поверхностями и с большим числом атомов. Исследована также устойчивость атомной структуры в широком интервале температур. Примеры расчетов приведены на рисунках 1 - 4.

компьютерный моделирование атомный молекулярный

Список литературы

Огородников В.В., Огородникова А.А. Расчет диаграмм состояния псевдобинарных систем, образуемых карбидами Ti, Zr и Hf // Неорганические материалы. 1977. Т. 13, № 4. С. 658-662.

Андриевский Р.А., Спивак И.И., Клименко И.И. // ДАН СССР, 1972, Т. 203, №6, С. 1279 - 1281.

Огородников В.В., Свердлик Н.Н. Экспериментальное исследование процесса уплотнения и гомогенизации дисперсных смесей псевдобинарной системы TiC - ZrC при спекании и горячем прессовании // Сб. Высокотемпературные карбиды. Киев, изд. "Наукова думка", 1975. С. 112 - 118.

Li J., Liao D., Yip S., Najafabadi R., Ecker L. Force-based many-body interatomic potential for ZrC // J. Appl. Phys. V. 93, No. 11. P. 9072 - 9085.

Postnikov A.V., Entel P. Ab initio Molecular Dynamics and Elastic Properties of TiC and TiN Nanoparticles // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2002, V. 704 P. W6.3.1 - W6.3.6.

Размещено на Allbest.ru