Научная статья на тему 'Моделирование процессов взаимодействия наночастиц с микротрещиной'

Моделирование процессов взаимодействия наночастиц с микротрещиной Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
135
103
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАНОЧАСТИЦА / МИКРОТРЕЩИНА / МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА / МОДЕЛИРОВАНИЕ / NANOPARTICLES / MICROCRACK / MOLECULAR DYNAMIC / MODELING

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Вахрушев Александр Васильевич, Андреев Вячеслав Вячеславович

Разработана математическая модель взаимодействия наночастиц с микротрещинами на поверхности твердого тела. Представлены результаты численных расчетов и дан анализ процессов взаимодействия наночастиц алюминия и меди с микротрещиной в алюминии и силумине.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Вахрушев Александр Васильевич, Андреев Вячеслав Вячеславович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODELLING OF INTERACTION PROCESSES OF Nanoparticles WITH THE MICROCRACK

The math models of interaction processes of nanoparticles with microcrack are developed. Results of numerical solution and analyze of interaction of Al and Cu nanoparticles with microcrack on the surface of Al and silumin are presented.

Текст научной работы на тему «Моделирование процессов взаимодействия наночастиц с микротрещиной»

УДК 539.4.42

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ С МИКРОТРЕЩИНОЙ

ВАХРУШЕВ А.В., АНДРЕЕВ ВВ.

Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г.Ижевск, ул.Т.Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Разработана математическая модель взаимодействия наночастиц с микротрещинами на поверхности твердого тела. Представлены результаты численных расчетов и дан анализ процессов взаимодействия наночастиц алюминия и меди с микротрещиной в алюминии и силумине.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: наночастица, микротрещина, молекулярная динамика, моделирование. ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных факторов, определяющих долговечность деталей машин, является износостойкость материалов, из которых изготовлены детали. Повышение износостойкости основывается на изучении физики явлений, происходящих на поверхностях деталей при трении и, в первую очередь, эволюции структуры поверхностных слоев контактирующих материалов. При трении в поверхностном слое интенсивно образуются и перемещаются дислокации, возникают новые структуры, связанные с измельчением и ориентацией зерен в направлении действия сил [1-5].

Для управления процессами структурообразования в поверхностном слое и уменьшения работы трения применяют смазочные материалы, в том числе с присадками, обеспечивающими требуемую модификацию структуры поверхностного слоя. В настоящий момент существует множество таких жидких и пластичных смазок, относящихся к типу металлоплакирующих. В качестве активного компонента часто используются порошки различных металлов, их оксидов и сплавов с различной дисперсностью, в том числе, нанопорошки.

Отметим, что, несмотря на значительное число публикаций [2, 6-13], посвященных влиянию металлсодержащих смазок на процессы трения и изнашивания конструкционных материалов, механизм смазочного действия нанопорошков изучен недостаточно. Мало в литературе имеется сведений о роли добавок в тех процессах трения, когда плакирующий металлический слой (пленка) на сопряженных поверхностях не образуется и явление избирательного переноса при трении не возникает. В рассмотренных работах показано, что при интенсивном (адгезионном) изнашивании, наночастицы меди, латуни и цинка механически натираются на стальную основу в виде агломератов различного размера. Укажем, что данные исследования носят экспериментальный характер и, как следствие, не могут объяснить всех фундаментальных процессов лежащих в основе взаимодействия наночастиц с поверхностью трения, тем более с микротрещиной. В этой связи компьютерное моделирование сложных многофазных наносистем [14-16] позволит дополнить экспериментальные исследования детализацией процессов взаимодействия в двухфазной среде, включающей твердые компоненты: поверхность и наночастицы, и жидкую смазывающую среду.

Данная работа является первым этапом исследования указанной проблемы и направлена на моделирование и детальный анализ процессов взаимодействия наночастиц с микротрещинами на поверхности твердого тела без учета смазки. Представлены результаты численных расчетов и дан анализ процессов взаимодействия наночастиц алюминия и меди с микротрещиной в алюминии и силумине.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим наносистему, включающую (рис. 1, а) твердое тело (1) с трещиной (2), внутри которой находятся одна или несколько наночастиц (3).

а) Ь)

1 - твердое тело; 2 - трещина; 3 - наночастица Рис. 1. Расчетная схема задачи

Моделирование системы включает три последовательные задачи:

1) построение начальной конфигурации наносистемы;

2) релаксацию наносистемы к равновесному состоянию;

3) нагружение наносистемы внешними силами до разрушения (рис. 1, Ь).

Для моделирования данной наносистемы используем метод молекулярной динамики (МД) [17-19] и численную схему Верле [20] для интегрирования уравнений МД. Уравнения МД для наносистем, содержащих наночастицы, приведены в [15]. В начальный момент времени наносистема находится в покое. Скорости, с которыми атомы, формирующие ее, совершают колебания около положения равновесия, определяет начальная температура системы.

В работе для расчетов используется табличный потенциал межатомного взаимодействия атомов наносистемы с радиусом взаимодействия 6,68 А. Потенциал рассчитан методом погруженного атома [21]. В графическом виде потенциал представлен на

рис. 2.

\

э -н оо ин IЬ^ Р ^н го LO <С> <К 1 р О ЧГ V-H СО 1Л ГЧ C1JJ М О Jj"""" 'J ■ L'l -U СО-ПГМСПЮ ГО INrjfNnirirritTirO ^^^^^^LniiiL'iLrijiliilOlB lO

|Г |\ // n 9

1 \ i 1 // R,A

1

1 \

1 /

eV

Си-Си — А -А -AI-Cli

Рис. 2. Потенциал межатомного взаимодействия Al-Al, Cu-Cu, Al-Cu

Расчеты выполнены с помощью проблемно-ориентированного комплекса Nanocrack, включающего в качестве вычислительного модуля программу Lammps, разработанную Sandia National Laboratories. Для визуализации полученных данных применялись программы Atom Eye и VMD.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Рассмотрим результаты численных расчетов и анализ процессов взаимодействия наночастиц алюминия и меди с микротрещиной в алюминии и силумине. На первом этапе исследуем взаимодействие одиночной наночастицы с трещиной, затем изучим взаимодействие "система наночастиц - трещина". Расчеты выполнены при температуре

Т=400 К.

А

^ А-А

А

А-А - поперечное сечение модели; t=20 пс Рис. 3. Медная наночастица, взаимодействующая с трещиной в алюминии

На рис. 3 представлено взаимодействие наночастицы меди с поверхностной трещиной в алюминии в момент времени 20 пс. Расчеты показали, что атомы алюминия, активно взаимодействуя с атомами меди, наползают на наночастицу, прочно закрепляя ее на стенке микротрещины. Далее наночастица не перемещается. Из рисунка видно, что в данном

расчетном случае "залечивание" трещины не происходит.

Рис. 4. Начальное состояние модели "наночастицы - трещина"

Рассмотрим взаимодействие системы наночастиц с трещиной (рис. 4). В данном случае наносистема включает 9 наночастиц меди и трещину в алюминии. Каждая наночастица алюминия включала 55 атомов. Результаты расчетов, показывающие изменение во времени структуры данной наносистемы, приведены на рис. 5.

Из рисунка видно, что наночастицы, помещенные в области трещины, начинают двигаться внутрь трещины к ее основанию. Постепенно формируется "мостик" из наночастиц, соединяющий стенки трещины. Далее "мостик" из наночастиц стягивает стенки трещины. В результате происходит постепенное полное зарастание микротрещины, а на месте трещины образуется композитный материал из А1 и Си.

4 5

1 - t=6 пс; 2 - t=36 пс; 3 - t=66 пс; 4 - t=96 пс; 5- t=160 пс

Рис. 5. Изменение во времени структуры модели "наночастицы - трещина в алюминии"

Другая картина наблюдается при взаимодействии системы наночастиц с трещиной в силумине, состоящего из 87 % алюминия и 13 % кремния (рис. 6).

а)

Ь)

1 - мостик из наночастиц; 2 - пора; а - t=10 пс; Ь - t=250 пс Рис. 6. Изменение во времени структуры модели "наночастицы - трещина в силумине"

В данном расчетном случае, также как и приведенном выше, наночастицы втягиваются в трещину и формируют "мостик", соединяющий стенки трещины. Однако, полного зарастания трещины не наблюдается, стенки трещины не стягиваются, а "мостик" остается стабильным во времени. На месте трещины образуется пора.

Для лучшего понимания процесса, рассмотрим графики перемещения и скорости центра масс наночастиц внутрь трещины (рис. 7).

|&(0,А

/,пс

t,nc

а) ' Ь)

Рис. 7. Изменение во времени перемещения (а) и скорости (Ь) центра масс наночастиц модели

"наночастицы - трещина в силумине"

Как видно из приведенного графика в начальный момент времени до 1=(5^7) пс, наблюдается быстрое движение наночастиц внутрь микротрещины. Затем скорость движения уменьшается, и к моменту времени 1=100 пс, движение наночастиц, практически, прекращается. Атомы наночастиц совершают температурные колебания около положения равновесия, а в целом система наночастиц не перемещается, что соответствует моменту окончательного формирования структуры "мостика".

Важным является оценка прочности сформированной наносистемы. С этой целью выполнены расчеты раскрытия трещины, нагруженной перпендикулярной к ней растягивающей силой (рис. 1, Ь). В качестве примера рассмотрим деформирование и разрушение структуры, приведенной на рис.6. На каждом расчетном шаге сила F ступенчато увеличивалась на определенную величину. Затем выполнялся расчет деформирования наносистемы, и для каждого значения силы F определялась величина раскрытия трещины Д£. Нагружение наносистемы выполнялось до ее разрушения. Расчет выполнен как для трещины без наночастиц, так и для трещины с наночастицами. На рис. 8 представлен результат расчета в виде графика зависимости раскрытия трещины Д£ от величины приложенной силы Б.

F,eV/A

1 - трещина; 2 - трещина с наночастицами Рис. 8. Величина раскрытия трещины AS в зависимости от величины приложенной силы F

Из графика следует, что разрушающая нагрузка F для трещины с наночастицами на 30 % больше нагрузки, при которой разрушается трещина без наночастиц. Отметим, что критическая величина раскрытия трещины AS для трещины с наночастицами и без них, практически одинакова и составляет величину порядка 3 Â. Учитывая, что вязкость разрушения линейно зависит от приложенной нагрузки [22], в первом приближении можно считать, что введение наночастиц в трещину для рассмотренного расчетного случая увеличивает вязкость разрушения на 30 %.

ВЫВОДЫ

1. Взаимодействие одиночной наночастицы с трещиной не приводит к зарастанию трещины.

2. При взаимодействии нескольких наночастиц с микротрещиной формируется "мостик" из наночастиц, соединяющий стенки трещины.

3. Формирование "мостика" из наночастиц приводит как к полному зарастанию микротрещины, так и превращению ее в микропору, вследствие перестройки структуры наносистемы.

4. Наночастицы меди реагируют с трещиной в алюминии активнее, чем наночастицы алюминия. При этом на месте трещины образуется композитный материал из Al и Cu.

5. В целом, наличие наночастиц в микротрещине стабилизирует и упрочняет ее.

Работа выполнена при финансовой поддержке УрО РАН, в рамках проекта "Исследование процессов формирования и взаимодействия наноструктурных компонентов углеродных материалов, конструкционных сталей и порошковых композитов во взаимосвязи с их макропараметрами".

Расчеты выполнены в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН, г. Москва.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ворович И.И., Александров В.М. Механика контактных взаимодействий // М. : Физматлит, 2001. 672 с.

2. Ишлинский А.Ю., Ребиндер П.А., Крагельский И.В. Физико-химическая механика контактного взаимодействия твердых тел // Вестник АН СССР. 1973. №1. С.64-67.

3. Фролов К.В. Современная трибология: Итоги и перспективы. М. : Изд-во ЛКИ, 2008. 480 с.

4. Persson, Bo N.J. Sliding Friction. Physical Principles and Applications // Springer. 2002.

5. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения / Учебник для вузов. Самара : Изд-во СГТУ, 2000. 268 с.

6. Беляев С.А., Тарасов С.Ю., Колубаев А.В., Лернер М.И. Повышение эффективности смазочного действия путем добавления нанопорошков металлов в масло // Сб. тр. Междунар. НТК. Самара : Изд-во СамГАУ, 2001. Ч.2. C. 204-211.

7. Беляев С.А., Тарасов С.Ю., Колубаев А.В. О трении и изнашивании стальных трибосопряжений в среде медьсодержащей смазки // Материалы междунар. межвуз. сб. "Фундаментальные и прикладные исследования для производства". Барнаул : Изд-во АГУ, 2000. C. 17-20.

8. Колубаев А.В., Ларионов С.А., Тарасов С.Ю. и др. Влияние УДП - присадки меди в смазке на процессы трения и изнашивания // Вестник ТГАСУ. Томск, 2000. №2. С. 232 - 238.

9. Беляев С.А., Тарасов С.Ю., Лернер М.И. Трение, изнашивание и деформация поверхностных слоев конструкционной стали в присутствии нанокристаллических порошков в жидкой смазке // Материалы IV Междунар. НТК «Динамика систем, механизмов и машин». Омск : Изд-во ОмГТУ, 2002. Кн. 2. С. 100-102.

10. Тарасов С.Ю., Беляев С.А., Гирсова С.Л. Окислительное изнашивание конструкционной стали в присутствии нанопорошков металлов // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. Спец. выпуск, ч.1. С. 433-436.

11. Беляев С.А., Тарасов С.Ю. Изучение влияния медьсодержащей жидкой смазки на работу пары трения «сталь-сталь» в режиме схватывания // Материалы III Междунар. технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». Омск : Изд-во ОМГУ, 2005. Ч.1. С.96-99.

12. Тарасов С.Ю., Беляев С.А., Лернер М.И. Износостойкость конструкционной стали в смазочной среде, содержащей нанопорошки металлов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 12. С.31-36.

13. Беляев С.А., Пивоваров В.П. Смазочное действие металлических нанопорошков в масле при трении стали 45 // Материалы IV Междунар. технологического конгресса «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения». Омск : Изд-во ОМГУ, 2007. Ч.2. С.388-394.

14. Вахрушев А.В., Липанов А.М., Вахрушев А.А. Моделирование наноразмерных течений, включающих наночастицы // Сб. материалов Четвертой междунар. конф. (IC0C-2002, Москва, 2002 г.). Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2004. С.477-490.

15. Вахрушев А.В. Теоретические основы применения нанотехнологий в тепловых двигательных установках. Ижевск : Изд-во ИПМ УрО РАН, 2008. 212c.

16. Vakhrouchev A.V. Modelling of the nanosystems formation by the molecular dynamics, mesodynamics and continuum mechanics methods // Multidiscipline Modeling in Material and Structures. 2009. V. 5, is. 2. P. 99-118.

17. Andersen H. C. Molecular Dynamics Simulations at Constant Pressure and/or Temperature // J. Chem. Phys. 1980. V.72. P. 2384-2389.

18. Hoover W. Canonical Dynamics: Equilibrium Phase-Space Distributions // Phys. Rev. 1985. V. 31. P.1695-1698.

19. Nose S., Unified A. Formulation of the Constant Temperature Molecular Dynamics Methods // J. Chem. Phys. 1984. V.81. P. 511-514.

20. Verlet L. Computer 'experiments' on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard - Jones molecules // Phys. Rev. 1967. V.159. P. 98-103.

21. Cai J. and Ye Y.Y. Simple analytical embedded-atom-potential model including a long-range force for fcc metals and their alloys // Phys. Rev. 1996. B 54. Р. 8398-8410.

22. Нотт Дж. Ф. Основы механики разрушения. М. : Металлургия, 1978. 256 с.

MODELLING OF INTERACTION PROCESSES OF NANOPARTICLES WITH THE MICROCRACK

Vakhrouchev A.V., Andreev V.V.

Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of RAS, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The math models of interaction processes of nanoparticles with microcrack are developed. Results of numerical solution and analyze of interaction of Al and Cu nanoparticles with microcrack on the surface of Al and silumin are presented.

KEYWORDS: nanoparticles, microcrack, molecular dynamic, modeling.

Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, завотделом «Механики и физико-химии гетерогенных сред» ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: [email protected]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Андреев Вячеслав Вячеславович, аспирант ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.