Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Молекулярно-динамическое исследование особенностей контактного взаимодействия на атомном масштабе

УДК 539.386 Дмитриев Андрей Иванович, д.ф.-м.н., в.н.с., тел. (3822)286-972, e-mail: dmitr@ispms.tsc.ru

Никонов Антон Юрьевич, аспирант, тел. (3822)286-973, e-mail: nikonov@usgroups.com

Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., профессор, директор, тел. (3822)491-881, e-mail: sp@ms.tsc.rux

Аннотации

Работа посвящена моделированию взаимодействия двух чистых металлов в условиях сдвигового нагружения. Показано, что структура граничного слоя, получаемая в ходе сдвиговой деформации, определяется условиями нагружения и материалами контактирующей пары.

Ключевые слова: моделирование, контактное взаимодействие, атомный масштаб

A.I. Dmitriev, A.Yu. Nikonov, S.G. Psakhie

MOLECULAR DYNAMICS INVESTIGATION OF FEATURES OF INTERACTION OF CONTACT ON THE ATOMIC SCALE

The paper is devoted to modeling of the interaction of two pure metals under shear loading. The structure of the boundary layer obtained during the shear deformation is determined by conditions of loading and the contacting pair.

Key words: modeling, contact interaction, atomic scale.

Известно, что контактное взаимодействие кристаллических материалов приводит к микроструктурным изменениям вблизи границы вызванными пластической деформацией, нанокристаллизацией и аморфизацией, фрикционным нагревом, механическим перемешиванием и др. Ситуация осложняется тем, что эти явления связаны между собой и могут влиять друг на друга. Это обусловливает значительный интерес развития, в том числе, вычислительных методов для изучения и анализа процессов, протекающих в поверхностных слоях твердого тела [1, 2]. Целью настоящей работы было изучить особенности развития процессов деформации и разрушения тонких поверхностных слоев, реализуемых в условиях фрикционного контакта на наноскопическом масштабе. металл сдвиговой нагружение

Для расчетов в рамках метода молекулярной динамики был использован программный пакет LAMMPS [3]. Первоначально рассматривался фрикционный контакт монокристаллов Cu и Al, атомные решетки которых были ориентированы так, что оси X Y и Z соответствовали кристаллографическим направлениям [100], [010] и [001] для кристаллита алюминия (рис. 1а). В одних расчетах кристаллит меди был ориентирован так, что оси X,Y и Z совпадали с направлениями [130], [-310] и [001], в других он был сонаправлен с атомной решеткой кристаллита алюминия. Моделировалось относительное проскальзывание со скоростью 20 м/с вдоль оси X. Взаимодействие между атомами описывалось в рамках метода погруженного атома. Выбор потенциала обусловлен возможностью с достаточно высокой степенью точности описывать упругие и поверхностные свойства, а также энергетические параметры дефектов данной системы. Уравнения движения интегрировались с шагом по времени Дt = 0,001 пс. Полное число атомов превышало 200000. В направлении осей X и Y моделировались периодические граничные условия, а в направлении Z нагрузка не задавалась. В расчетах менялись условия нагружения и угол относительной разориентировки атомных плоскостей в области контакта. Кроме того, путем варьирования профиля контактирующих поверхностей менялись условия сопряжения, реализуемые на контакте.

Согласно результатам исследования особенности поведения кристаллических материалов сильно зависят от условий, реализуемых на контакте. В частности, в области контакта могут наблюдаться эффекты, связанные с нарушением кристаллического порядка взаимодействующих материалов. Это сопровождается формированием слоя, в котором протекает взаимная диффузия атомов, принадлежащих обоим кристаллитам (рис. 1б). Учет атомной структуры взаимодействующих материалов позволяет выявить некоторые особенности поведения кристаллических материалов при их взаимодействии. В частности, в процессе такого взаимодействия возможно формирование разориентированной наноблочной структуры в области интерфейса, что хорошо видно на рис. 1в. Следует отметить, что формирование блоковой структуры отмечается экспериментально вблизи поверхности в условиях трибологического контакта.

Очевидно, что интенсивные сдвиговые деформации, реализуемые в условиях контактного взаимодействия, могут приводить к существенному разогреву материала вблизи поверхности. Поэтому было исследовано влияние термофрикционного воздействия на изменение физико-механических свойств и структуры поверхностных слоев контактирующих кристаллитов. Моделировалось взаимодействие модельных материалов со свойствами Cu и Ag, атомные решетки которых были ориентированы так, что оси X Y и Z соответствовали кристаллографическим направлениям [100], [010] и [001] для кристаллита меди и направлениям [120], [-210] и [001] для кристалла серебра (Рис. 2а). При этом рассматривалось два варианта нагружения. В первом случае вся энергия, переданная системе за счет внешней сдвиговой деформации, перераспределялась внутри моделируемой пары. Во втором случае, со стороны нагружаемых областей моделировался специальный слой атомов, в пределах которого дополнительно задавалась диссипация кинетической энергии, тем самым имитировался отвод тепла из области контакта во внутренние слои протяженных контактирующих материалов. Таким образом, первый вариант соответствует взаимодействию двух тонких пленок, а второй вариант можно рассматривать как локальный контакт двух объемных кристаллических материалов.

Согласно полученным результатам поведение материалов в области контакта для рассматриваемых вариантов заметно отличается. В случае взаимодействия двух кристаллических тонких пленок произошел разогрев области контакта с достижением температуры плавления медного кристаллита (рис. 2б). При этом более тугоплавкий материал сохранил кристаллическую структуру. Характерно, что относительное проскальзывание взаимодействующих материалов сопровождается перемешиванием атомов в зоне контакта с ярко выраженным градиентным характером внедрения атомов Ag в кристаллит меди практически на всю глубину моделируемого фрагмента. В случае моделирования контакта с отводом тепла происходит сохранение кристаллических решеток обоих взаимодействующих материалов при тех же прочих условиях нагружения, что и в первом варианте. При этом зона перемешивания атомов обоих веществ локализуется вблизи области контакта, а распределение атомов в области интерфейса носит равномерный характер (рис. 2в).

Несмотря на отмеченное разнообразие результатов компьютерного моделирования, полученных в рамках молекулярно динамического исследования, во всех рассмотренных случаях можно отметить, что происходит формирование интерфейсного слоя, имеющего отличный состав и структуру от структуры в объеме материала. Особенности данной слоя отмечались и ранее, но на другом масштабном уровне. Формирование интерфейсного слоя на атомном уровне меняет свойства поверхности взаимодействующих материалов, понижает энергетические барьеры формирования новых (в том числе метастабильных) фаз и инициирования химических реакций. Результаты настоящих исследований могут быть использованы для понимания процессов, определяющих прочностными свойствами интерфейсного слоя в материалах с покрытиями, а также для контроля свойств поверхностного слоя в контактных задачах.

Список литературы

Iordanoff I., Berthier Y. First steps for a rheological model for the solid third body. // Tribology Series, 1999. V.36, P. 551-559.

Dmitriev A.I., Цsterle W., KloЯ H.: Numerical simulation of mechanically mixed layer formation at local contacts of an automotive brake system. // Tribology Transactions, 2008. V. 51, P. 810-816.

Plimpton, S.J. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // J. Comp. Phys., 1995. V. 117, P. 1-19.

Приложение

а) б) в)

Рис. 1. а) Исходная структура взаимодействующих кристаллитов; б) и в) структура моделируемых кристаллитов после 500пс, отличающихся исходной взаимной ориентацией кристаллических решеток

а) б) в)

Рис. 2. Структура моделируемых кристаллитов: а) исходная, б) конечная для варианта без отвода тепла, в) конечная для варианта с отводом тепла.

Размещено на Allbest.ru