Молекулярно-динамическое исследование влияния температуры на динамику границы зерен при сдвиговой деформации
Показано, что при определённых условиях внешнего воздействия возможно перемещение границы зерен в направлении, перпендикулярном приложенному нагружению. Показано, что изменение положения границы приводит к росту одного из зерен за счёт атомов другого.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.10.2018 |
Размер файла | 132,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДИНАМИКУ ГРАНИЦЫ ЗЁРЕН ПРИ СДВИГОВОЙ ДЕФОРМАЦИИ
А.Ю. Никонов, А.И. Дмитриев, С.Г. Псахье
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
634055, г. Томск, Россия
В рамках физической мезомеханики границы зёрен в деформированном поликристалле являются самостоятельными мезоскопическим уровнем развития пластической деформации. В частности сдвиг в такой среде сопровождается развитием деформации как внутри зёрен, так и на их границах. В работе [1] показано, что при определённых условиях внешнего воздействия возможно перемещение границы зёрен в направлении, перпендикулярном приложенному нагружению. Изменение положения границы приводит к росту одного из зёрен за счёт атомов другого. Было отмечено, что данное явление наблюдается при особых условиях (низкая температура образца, симметричные границы зёрен специального типа, выделенное направление сдвиговой деформации). Очевидно, что в реальных условиях поведение границы зёрен в условиях сдвиговой деформации может существенно отличаться. Целью данной работы было исследовать в рамках метода молекулярной динамики влияние температуры образца на особенности зернограничного проскальзывания в условиях сдвигового нагружения.
Рис. 1. Проекция атомов образца содержащего границу типа У = 5 на плоскость XoY
молекулярный температура сдвиговый деформация
Исследования проводились в рамках метода классической молекулярной динамики с использованием программного пакета LAMMPS [2]. Моделируемый образец представлял собой бикристалл меди, состоящий из двух зёрен в форме прямоугольных фрагментов и содержащий плоский дефект структуры типа высокоугловая граница зёрен У = 5(210)[001]. Для моделирования границы зёрен специального типа использовался алгоритм, описанный в [3]. Суть подхода заключается в следующем. Зерно ориентируется в пространстве таким образом, чтобы внешние оси X, Y и Z соответствовали кристаллографическим направлениям [210], [20] и [001], соответственно. Второе зерно является зеркальным отражением первого относительно плоскости XoZ, которая и становится плоскостью дефекта. Исходная структура образца показана на рис. 1. Сдвиговая деформация образца моделировалось путём задания постоянных значений Vх компонент скоростей атомам, попадающим во внешние (по отношению к дефекту) приповерхностные слои. Модуль скорости движения атомов достигал 20 м/с, а её направление отличалось для атомов из противоположных нагружаемых слоёв. Таким образом, результирующая скорость сдвиговой деформации составляла 40 м/с. Толщина нагружаемых слоёв соответствовала двум радиусам обрезания межатомного потенциала, который описывался в рамках метода погруженного атома. Выбор потенциала обусловлен возможностью описывать с высокой точностью энергетические параметры дефектов структуры, упругие и поверхностные свойства моделируемого образца. Вдоль плоскости границы зёрен (направления Х и Z) моделировались периодические граничные условия. Расстояние между нагружаемыми слоями и границей зёрен составляло более 50 параметров решётки.
Моделируемый кристаллит исследовался в интервале температур от 0 K до 1300 K. Для сравнения выполненная ранее оценка температуры плавления бездефектного кристаллита меди с тем же потенциалом взаимодействия показала значение ?1350 K. Выбранная температура задавалась с использованием алгоритма масштабирования скоростей атомов исходя из равенства энергий
где i - номера атомов. В начальный момент времени задавалось случайное распределение скоростей атомов, а их корректировка проводилась в точках минимума потенциальной энергии. Моделируемый образец рассматривался как NVE ансамбль, в котором сохраняется число частиц N, занимаемый объём V и энергия системы E.
Результаты моделирования показали, что по характеру отклика моделируемого кристаллита на внешнюю сдвиговую нагрузку можно выделить три стадии. На первой стадии, при начальных температурах до ~500 K, поведение исследуемой границы зёрен полностью идентично тому, как отмечалось в работе [1]. А именно, в условиях сдвиговой деформации наряду с относительным проскальзыванием взаимодействующих зёрен наблюдается перемещение положения границы в направлении, перпендикулярном приложенному внешнему воздействию. Происходит достраивание атомных слоёв одного из зёрен, за счёт вовлечения атомов, контактирующих с плоскостью границы, исходно принадлежащим противоположному зерну. Скорость такого перемещения границы в указанном интервале температур остаётся приблизительно неизменной и в 1,5 раза превосходит относительную скорость смещения нагружаемых слоёв. Результирующие смещения границы в направлении Y составляют 10,43 нм и 10,38 нм в начале и в конце рассматриваемого интервала температур, соответственно. Следует, однако, отметить, что с ростом температуры наблюдаются незначительные изменения структуры в плоскости дефекта, но это не отражается в целом на динамике процесса.
В диапазоне температур от ~500 K до ~700 K скорость перемещения границы в направлении, перпендикулярном приложенному сдвиговому нагружению, а, следовательно, и результирующая величина смещения границы зёрен в направлении оси Y резко уменьшаются. Так, при температуре 600 K результирующее смещение плоского дефекта на том же временном интервале уменьшилось до 6,57 нм. А при повышении температуры до 700 K результирующее смещение границы составляет всего 4,21 нм. При этом рассчитанная скорость движения границы падает практически в 3 раза с 58 м/с до 23 м/с.
При температурах свыше ~700 K динамика поведения границы меняется. Скорость изменения величины перемещения с ростом температуры уменьшается, а результирующее смещение положения дефекта в направлении оси Y за рассматриваемый интервал времени достигает минимума вблизи значения 1.3 нм.
Рис. 2. Смещение границы зёрен в зависимости от температуры образца меди (1), никеля (2), серебра (3), алюминия (4)
Для выявления общности обнаруженной температурной зависимости поведения межзеренной границы при сдвиговой деформации были проведены аналогичные исследования для ряда других ГЦК металлов. Образцы исследовались в интервале температур от 0 К до 0,8-0,9 Тплав. На рис. 2 показана зависимость величины смещения границы зёрен от начальной температуры образца. Из рисунка видно, что все образцы ведут себя схожим образом, а именно можно выделить три стадии отклика границы на внешнее воздействие в зависимости от температуры системы. Так, при определённой температуре в интервале от 0,45 до 0.6 Тплав наблюдается резкое уменьшение величины сдвига границы зёрен.
Результаты, полученные в работе, помогают понять особенности развития пластической деформации в поликристаллах в условиях сдвигового нагружения. Обнаруженное поведение границ зёрен может влиять на изменение микроструктуры материала, и, соответственно, на его свойства и поведение под нагрузкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Дмитриев А.И., Никонов А.Ю., Псахье С.Г. Атомистический механизм зернограничного проскальзывания на примере большеугловой границы S = 5. Молекулярно-динамический расчет // Физ. мезомех. - 2010. - Т. 13. - № 4. - С. 15-24.
Plimpton, S.J. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // J. Comp. Phys., 1995. V. 117, P. 1-19.
Suzuki A., Mishin Y. Atomistic modeling of point defects and diffusion in copper grain boundaries // Interface Sci, 2003. V. 11, No 1. P. 131-148.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Фазовые переходы "смачивания" границ зерен жидкой или твёрдой фазой. Технология производства спеченных магнитов из сплавов системы Nd-Fe-B методами порошковой металлургии, влияние различных режимов термообработок на магнитные свойства их образцов.
дипломная работа [4,2 M], добавлен 06.06.2012Первое, второе и третье превращение при отпуске. Распад мартенсита и аустенита. Изменение строения и состава фаз при отпуске углеродистой стали. Виды отпускной хрупкости. Сегрегация атомов фосфора на границах зерен. Деформационное старение железа.
лекция [125,7 K], добавлен 29.09.2013Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на тонкую кристаллическую структуру аустенитных сталей и сплавов. Закономерности роста зерен металлов и сплавов при высоких температурах. Влияние температуры на характеристики металлов.
курсовая работа [534,9 K], добавлен 28.12.2003Исследование процесса кристаллизации расплавов металлов. Влияние температуры на свободную энергию жидкой и твердой фазы процесса кристаллизации. Охлаждение расплава и образование кристаллов. Регулирование размеров зерен кристаллов. Обзор строения слитка.
реферат [102,2 K], добавлен 16.12.2014Понятие и принципы реализации сварного шва. Кристаллизация как процесс образования зерен расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Скорость охлаждения зоны сварки. Меры предотвращения сварочных напряжений и деформаций.
контрольная работа [28,5 K], добавлен 14.10.2013Определение конструкционных и технологических параметров грохота. Расчет пружинных амортизаторов, клиноременной передачи, подшипников и шпоночных соединений. Эффективность грохочения, скорость отрыва зерен материала от сита, ускорение короба грохота.
курсовая работа [972,0 K], добавлен 09.11.2014Природа прихватов колонн бурильных и обсадных труб. Факторы, влияющие на возникновение прихватов колонны труб. Определение верхней границы глубины прихвата. Схема действующих сил при прихвате колонн труб. Специфика основных методов ликвидации прихватов.
реферат [264,5 K], добавлен 19.02.2015Ознакомление со свойствами (стойкость, закаленность, относительная легкость, мягкость), структурой (клеточное полимерное соединение), поверхностными особенностями (текстура - шероховатость и изобилие лучей, рисунок - многообразие зерен, цвет) древесины.
реферат [6,4 M], добавлен 05.06.2010Основные особенности процесса шлифования. Схема работы абразивных зерен. Технические характеристики портальных, мостовых и плоскошлифовальных станков. Разработка конструкции и паспорта камнерезного станка. Технология шлифования различных материалов.
курсовая работа [4,0 M], добавлен 20.06.2010Понятие сыпучих материалов. Классификация методов сепарирования сыпучих сред. Виды сепараторов. Основные характеристики, конструкция и принцип работы устройства для разделения зерен по длине - цилиндрического триера. Расчет его конструктивных размеров.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 24.10.2014Определение длины и диаметра триера. Расчет параметров, характеризующих поведение зерна в триере. Определение формы и размеров приемного желоба, значения границ зон выпадения зерен из ячеек, предельное положение зерна в состоянии относительного покоя.
практическая работа [40,0 K], добавлен 07.12.2010Анализ метода повышения радиационной стойкости порошка диоксида титана путем модифицирования его нанопорошком диоксида титана. Исследование спектров диффузного отражения, зависимость изменения интегральной чувствительности порошка от концентрации TiO2.
дипломная работа [4,2 M], добавлен 21.08.2013Номенклатура оборудования, используемого при добыче и переработке марганцевой руды на Марганецком ГОКе. Техническая характеристика дробилок, промывочных машин и грохотов. Конструкция отсадочных машин для разделения смеси минеральных зерен по плотности.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 13.05.2011Исследование принципов работы системы автоматического управления и построение её функциональной схемы на базе программируемого контроллера. Разработка аналитической математической модели. Расчет и построение колебательной границы устойчивости САУ.
курсовая работа [991,9 K], добавлен 27.12.2014Характеристика современных телевизоров. Стандарты телевизионного вещания. Доверительные границы случайной погрешности результата измерения. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Результат измерения, оценка его среднего квадратического отклонения.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 14.11.2013Определение коэффициентов годности и восстановления деталей. Износ внутренней поверхности под ведущий вал шестерни. Коэффициент вариации. Графическое построение опытного распределения износов. Доверительных границы рассеивания значения износа шлицев.
контрольная работа [496,5 K], добавлен 23.03.2016Структура краевой и винтовой дислокаций. Контур и вектор Бюргерса. Виды точечных дефектов. Взаимодействие дислокаций с вакансиями, атомами внедрения и замещения. Примесные атмосферы, зуб текучести и полосы Людерса. Динамическое деформационное старение.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 08.07.2014Методы стабилизации температуры воздуха в остеклённых блочных теплицах с водяной системой обогрева, где температура воздуха регулируется за счёт изменения температуры теплоносителя с помощью смесительного клапана. Принцип автоматического управления.
контрольная работа [118,6 K], добавлен 10.09.2010Контроль точности геометрических параметров. Состояние технологического процесса. Автоматизированные координатно-измерительные машины стационарного и мобильного типов. Задачи статистического управления процессами и контрольные границы на карте.
статья [14,4 K], добавлен 03.07.2013Исследование зависимости температурной деформации шпиндельного горизонтально-фрезерного станка (при холостом ходу) и его узлов от времени работы и охлаждения. Пути минимизации воздействия нагрева на успешность осуществления технологического процесса.
лабораторная работа [85,2 K], добавлен 02.12.2010