CC BY
14
Тувинский государственный университет_
...................РАДИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ
RADIATIONMATERIALSCIENCEANDTECHNOLOGIES
УДК 538.911
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КРАЕВОЙ ДИСЛОКАЦИИ ПРИ РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ГЦК КРИСТАЛЛ
1Маркидонов А.В., 2Старостенков М.Д., Смирнова М.В., 4Захаров П.В.
1 Филиал Кузбасского государственного технического университета г.
Новокузнецк
2 Алтайский государственный технический университет, Барнаул
3 Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк 4Алтайскаягосударственнаяакадемияобразования, Бийск
THE STUDY OF THE DYNAMICS OF AN EDGE DISLOCATION IN RADIATION EFFECTS ON FCC CRYSTAL
MarkidonovA.V., 2Starostenkov M.D., 3Smirnova M.V., 4Zakharov P.V.
1Branchof the KuzbassState Technical Universityin Novokuznetsk, Novokuznetsk 2AltaiState Technical University, Barnaul 3 Siberian State Industrial University, Novokuznetsk 4 Altay State Academy of Education, Bijsk
Методом молекулярной динамики проведено исследование динамики краевой дислокации в кристаллите никеля, подверженному воздействию ударной послекаскадной волны. Показано, что в результате данного воздействия дислокация смещается по направлению к источнику волны. Причиной данного движения является волна разгрузки, следующая за фронтом ударной волны.
Ключевые слова: краевая дислокация, ударная волна, волна разгрузки, напряжение, метод молекулярной динамики, метод погруженного атома.
Study of the dynamics of an edge dislocation in nickel crystals exposed to a post-cascade shock wave of, conducted by the method of molecular dynamics. It is shown that as a result of the impact of the dislocation moves towards the source of the wave. The reason for this movement is the discharge wave following the shock front.
Key words:edge dislocation, shock wave, discharge wave, stress, the molecular dynamics method, the method of the embedded atom.
В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений современной технологии обработки материалов является использование ионных пучков. Физические свойства и структура материалов, подверженных ионно-лучевому воздействию, кардинально отличаются от соответствующих свойств и структуры, получаемых в результате термических или иных традиционных методов обработки. В связи с техническими сложностями и дороговизной процесса получения ионных пучков мощностью от нескольких десятков до несколько сотен МэВ в имплантационной металлургии при модификации свойств конструкционных материалов используются
установки, позволяющие получать пучки ионов низких и средних энергий. Но для данных диапазонов энергий пробеги ускоренных ионов не превышают несколько сотен нанометров, что не достаточно для технологического применения. Данная проблема отчасти решается благодаря наличию определенных эффектов, которые в некоторых случаях многократно увеличивает глубину воздействия падающих ионов на материал. Некоторые авторы объясняют эффект дальнодействия радиационно-динамическим воздействием ударных послекаскадных волн, возникновение которых обусловлено различием между временем термализации атомных колебаний в некоторой конечной области и временем отвода из нее тепла. В результате резкого расширения такой сильно разогретой области и формируется почти сферическая ударная волна.
Известно, что наличие дислокаций определяет способность материала к пластической деформации, а их динамика лежит в основе многих важных физических свойств. Поэтому изучение на микроуровне воздействия ударных послекаскадных волн на дислокации и их динамику является вполне актуальной задачей, особенно если учитывать, что полного понимания эффекта дальнодействия на сегодняшний момент не существует. В связи с этим, целью настоящей работы является изучение динамики краевой дислокации в кристалле, подверженному воздействию ударной послекаскадной волны.
Рассматриваемые в работе явления отличает малый размер исследуемых областей, что затрудняет прямые наблюдения. Поэтому наиболее рациональным видится использование методов компьютерного моделирования. В данной работе исследование проводилось с помощью пакета МД-моделирования XMD [1]. В качестве потенциальной функции межатомного взаимодействия использовался потенциал Джонсона, рассчитанный в рамках метода погруженного атома [2]. Исследование проводилось на расчетном блоке, моделирующем кристаллит никеля, и имеющем форму параллелепипеда. Для создания краевой дислокации в расчетном блоке удалялась часть атомов двух соседних полуплоскостей {110}, после чего следовала процедура релаксации при условии, что атомам позволялось смещаться лишь вдоль направления <110 >. В результате этого происходило сближение атомных плоскостей, расположенных по разные стороны от разреза, и формировалась экстраплоскость.
Особенностями ударной послекаскадной волны, отличающей ее от волн, получаемых другими методами, является большая амплитуда атомных смещений, а также малая ширина фронта, соизмеримая с параметром решетки кристалла [3]. Поэтому для создания волны, группе атомов в приграничной области расчетного блока присваивалась скорость, превышающая скорость звуковых волн, вдоль кристаллографического направления <110 >. Плотноупакованное направление было выбрано потому, что из-за наличия механизмов фокусировки энергии, сферическая волна трансформируется во фрагменты плоских волн, распространяющихся именно вдоль плотноупакованных направлений. В результате последующих эстафетных атомных смещений формируется бегущая волна, ширина фронта которой не превышает нескольких межатомных расстояний, а амплитуда смещений атомов значительно превышает, например, амплитуду тепловых колебаний.
Рассмотрим расчетный блок, содержащий краевую дислокацию с вектором
Бюргерса ь =а/2<110> и плоскостью скольжения. Для структурного анализа
Тувинский государственный университет _
кристаллической матрицы, и выявления образующегося в данном случае дефекта упаковки, можно использовать методы, основанные на расчетах ближайшего окружения атома, в частности, метод параметра локальной центральной симметрии (Central Symmetry Parameter), характеризующего степень симметрии локального окружения каждого атома [4]. Данный параметр вычисляется по формуле:
CS = £ Ri + R,
(1)
где N - число ближайших соседей атома (для ГЦК решетки координационное число
R R
i+N /2.
векторы, связывающие центральный атом и пару противоположных
N = 12), соседей.
Параметр CS принимает нулевое значение для атомов в идеальной решетке, определенное положительное число вблизи дефектов, и наибольшее число для атомов, расположенных на поверхности расчетного блока.
Проведенное исследование показало, что при генерации в расчетном блоке ударных волн наблюдается смещение расщепленной дислокации по направлению к источнику волн. Так, на рисунке 1 представлено изменение координат ядер частичных дислокаций в течение эксперимента. Положение ядер показано начиная с 5 пс компьютерного эксперимента, так как именно в этот момент в расчетном блоке генерируется ударная волна (скорость, присваиваемая граничным атомом, в 1.5 раза превышает скорость звуковых волн). Процесс расщепления дислокации, осуществляемый до этого времени, на рисунке не представлен. Отметим, что на рисунке 1.6 в момент 7.5 пс генерируется еще одна волна. В результате этого смещение дислокации становится более отчетливым и достигает около 20 А относительно первоначального расположения.
30
X
-10
-20 -
-30
•• • • • • •
• • • •••
t: 7 .....4
t ПС
30 20 10 ~
О -10 -20 --30
t, ПС
Рис. 1. Изменение координат ядер частичных дислокаций относительно первоначального расположения краевой дислокации в расчетном блоке, при генерации одной (а) и двух (б) ударных волн. Температура расчетного блока 600 К
N/2
2
i=1
б
а
Известно, что движение дислокации определяется девиаторной компонентой тензора напряжений. Определим изменение напряжений при прохождении ударной волны и волны разгрузки. Расчет напряжений будем производить для малого объема, включающего в себя ядро частичной дислокации. Результаты представлены на рисунке 2.
ОД 0,2
t, ПС
0,3
Рис.2. Изменение нормальных (а) и касательных (б) напряжений в области ядра частичной дислокации при генерации в расчетном блоке ударной волны
а
Нормальное напряжение Ox достигает максимума при прохождении через расчетную область фронта ударной волны, а касательное напряжение Tx - при прохождении волны разгрузки. Релаксация касательных напряжений происходит в результате перемещения дислокации. Расчетное значение напряжения Пайерлса-Набарро для никеля в зависимости от значений подставляемых параметров лежит в пределах 0.66 - 3.72 МПа. Таким образом, как следует из рисунка 2.б, касательные напряжения, создаваемые волной разгрузки, достаточны для смещения дислокации. Отметим также, что рассматриваемая нами плоская ударная волна создает одноосную деформацию, и, следовательно, напряженное состояние определяется преимущественно напряжениями, представленными на рисунке 2, и другие компоненты не представляют интереса.
Проведенное исследование показало, что изменение дислокационной структуры облученного материала обусловлено не столько ударными послекаскадными волнами, сколько следующими за ними волнами разгрузки. Смещение дислокаций в кристалле приводит к изменению полей напряжений, что должно оказывать влияние на диффузию атомов, и, как следствие, может служить причиной радиационно-стимулированной диффузии. Представленные положения могут найти применение при изучении проблем радиационного материаловедения.
Библиографический список
1. XMD - Molecular Dynamics for Metals and Ceramics // [Electronic resource]. Mode of Access: http://xmd.sourceforge.net/about.html.
2. Johnson, R.A. Analytic nearest-neighbor model for FCC metals // Physical Review B. 1988. V.37. №8. P.3924-3931.
3. Zhukov, V.P., Boldin, A.A. Elastic-wave generation in the evolution of displacement peaks // Atomic Energy. 1987. V.68. P.884-889.
4. Kelchner, C.L., Plimpton, S.J., Hamilton, J.C. Dislocation nucleation and defects structure during surface indentation // Physical Review B. 1998. V.58. 11085.
Тувинский государственный университет Bibliograficheskiy spisok
1. XMD - Molecular Dynamics for Metals and Ceramics // [Electronic resource]. Mode of Access: http://xmd.sourceforge.net/about.html.
2. Johnson R.A. Analytic nearest-neighbor model for FCC metals // Physical Review B. 1988. V.37. №8. P.3924-3931.
3. Zhukov, V.P., Boldin, A.A. Elastic-wave generation in the evolution of displacement peaks // Atomic Energy. 1987. V.68. P.884-889.
4. Kelchner, C.L., Plimpton, S.J., Hamilton, J.C. Dislocation nucleation and defects structure during surface indentation // Physical Review B. 1998. V.58. 11085.
Маркидонов Артем Владимирович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры автомобилей и автомобильных перевозок филиала Кузбасского государственного технического университета в г. Новокузнецке, г. Новокузнецк, E-mail: [email protected]
Старостенков Михаил Дмитриевич - доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой общей физики Алтайского государственного технического университета, г. Барнаул
Смирнова Мария Валерьевна - заведующая лабораторией кафедры прикладной информатики Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк
Захаров Павел Васильевич- кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики и информатики Алтайской государственной академии образования, г. Бийск
Markidonov Artem - Ph.D., Associate Professor in the Department of Cars and Road Transport of the Branch of the KuzbassState Technical Universityin Novokuznetsk, Novokuznetsk, E-mail: [email protected]
Starostenkov Michael - Ph.D., Head of Department of General Physics of the AltaiState Technical University, Barnaul
Smirnova Maria - Head of Laboratory of the Department of Applied Informatics of the Siberian State Industrial University, Novokuznetsk
Zacharov Pavel - Ph.D., Associate Professor in the Department of Physics and Informatics of the Altay State Academy of Education, Bijsk
