Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
ВАХМИН Сергей Юрьевич
ПЕРЕСТРОЙКА АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА И ПАЛЛАДИЯ В ПРОЦЕССЕ СТЕКЛОВАНИЯ
Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Воронеж - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Косилов Александр Тимофеевич Официальные оппоненты Стогней Олег Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет, профессор кафедры физики твердого тела;
Сайко Дмитрий Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет инженерных технологий, профессор кафедры высшей математики Ведущая организация ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет
Защита состоится 27 ноября 2012 года в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп. 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет
Автореферат разослан л26 октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Горлов М.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Вопросы организации атомной структуры расплавов и полученных в результате их закалки металлических стекол (МС) в одинаковой степени сложные и не решенные до сих пор задачи физики неупорядоченных систем. Обнаруженная икосаэдрическая симметрия в расположении атомов расплавов некоторых металлов (Pb, Ni, Fe, Zr, Co, Cu), а также МС, полученных в процессе закалки расплавов, тенденция к росту числа атомов, задействованных в построении некристаллографических локальных атомных конфигураций в процессе закалки, не раскрывают природу тех фундаментальных закономерностей, которые лежат в основе таких перестроек. Стеклование, как процесс формирования при закалке перколяционного кластера из взаимопроникающих и контактирующих между собой несовместимых с трансляционной симметрией икосаэдров был впервые продемонстрирован методом компьютерного моделирования на чистом железе, затем на сплавах Ag-Ni, Cu-Zr.
Плотноупакованный перколяционный кластер, в построении которого задействовано 55% атомов системы (для Fe), выполняет функцию сдерживающего кристаллизацию жесткого, пронизывающего всю структуру, каркаса. Перколяционный кластер имеет фрактальную геометрию, а его составляющие - политетраэдрические нанокластеры - представляют собой одномерные разветвляющиеся цепочки взаимопроникающих икосаэдров. Атомы, не задействованные в построении перколяционного кластера, образуют более рыхлую структуру без каких-либо признаков упорядочения.
Присутствие в структуре кластеров, упорядоченных по принципу политетраэдрической укладки атомов, обеспечивает УсреднийФ порядок в системе. Процесс формирования нанокластеров, подобно процессу кристаллизации, сопровождается понижением потенциальной энергии системы и уменьшением ее объема, что указывает на признаки фазового перехода. В то же время процесс формирования перколяционного кластера из несовместимых с трансляционной симметрией икосаэдров при аморфизации не может быть описан в рамках классической теории зарождения кристаллической фазы.
Физика стеклования может быть раскрыта лишь на пути всестороннего изучения процессов перестройки атомной структуры расплава на всех этапах превращения расплава в металлическое стекло.
Перколяция, как результат столкновения растущих в процессе закалки политетраэдрических нанокластеров, фиксирует лишь момент перехода расплав - стекло. Начало процесса зарождения и последующего роста нанокластеров при закалке происходит выше температуры стеклования. В настоящее время эти процессы практически не изучены, нет сформировавшихся представлений о механизмах зарождения политетраэдрических структурных единицах в переохлажденном расплаве, их кинетике, стабильности при разных температурах в процессе закалки.
Работа выполнена на кафедре материаловедения и физики металлов ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет в рамках аналитической ведомственной целевой программы Развитие научного потенциала высшей школы (2009-20годы), проект № 2.1.1/4414 Разработка физических моделей стеклования и поиск путей управления структурой и свойствами сплавов Ni60Ag40, Ni60Nb40, Fe83B17.
Цель работы: методами молекулярной динамики и статической релаксации провести анализ и раскрыть закономерности перестройки нанокластерной структуры чистого железа при закалке на всех этапах процесса перехода расплав - металлическое стекло. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- создать модель расплава железа и в рамках метода молекулярной динамики провести ее закалку с температуры 2300 К;
- провести статистико-геометрический анализ динамических и статически релаксированных моделей железа в интервале температур закалки 2300 К-0 К;
- выявить закономерности формирования и перестройки икосаэдрических нанокластеров в расплаве и в металлическом стекле;
- изучить распределение нанокластеров по размеру и морфологическим признакам;
- изучить ближайшее атомное окружение икосаэдрических нанокластеров и закономерности их взаимного сопряжения;
- создать модель расплава палладия и в рамках метода молекулярной динамики провести ее закалку с температуры 2300 К;
- провести статистико-геометрический анализ динамических моделей палладия в интервале температур закалки 2300 К-0 К;
- сравнить структурную организацию МС палладия и железа.
Научная новизна. Получено распределение икосаэдрических и кристаллических нанокластеров по количеству образующих их координационных многогранников (КМ) для динамических моделей железа в интервале температур закалки 2300 К - 0 К.
Установлены основные типы КМ, образующих ближайшее окружение икосаэдрических нанокластеров для динамических моделей железа.
Показано, что число атомов в икосаэдрических нанокластерах зависит не только от числа образующих кластер икосаэдров, но и характера сопряжения взаимопроникающих икосаэдров: чем меньше взаимопроникающих связей, тем больше атомов в кластере.
Изучены динамические процессы перестройки атомной структуры икосаэдрических нанокластеров в изотермических условиях.
Получено распределение кристаллических и икосаэдрических нанокластеров по количеству образующих их КМ для динамических моделей палладия в интервале температур закалки 2300 К - 0 К.
Проведено сопоставление структурной организации МС палладия и железа.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В процессе закалки модели железа в интервале температур 2300 К - 0 К происходит непрерывный рост КМ типа (0-1-10-2), (0-2-8-4), (0-3-6-4), (0-0-12-0), (0-1-10-3), (0-1-10-4), (0-3-6-5), (0-0-12-2), (0-2-8-5), (0-0-12-3), в которых присутствуют структурные элементы с икосаэдрической симметрией расположения атомов.
2. В области температур выше температуры стеклования при закалке происходит непрерывный процесс полного обновления икосаэдрических нанокластеров путем обмена атомами с окружающей средой; в области температур ниже температуры стеклования происходит лишь частичный обмен атомами при сохранении основных морфологических признаков перколяционного кластера.
3. При скорости закалки модели железа 2,2 1013 Кс-1 число атомов в кластерах с ОЦК-структурой во всем температурном интервале закалки на два порядка меньше, чем число атомов в икосаэдрических кластерах, а максимальный размер кристаллического кластера (атома) не достигает величины критического зародыша (~120 атомов).
4. В процессе закалки палладия формируется структура, в которой практически отсутствуют нанокластеры икосаэдрического типа, обеспечивающие склонность системы к аморфизации, а доминирующую роль играют ГЦК нанокластеры.
Практическая значимость работы. Полученные результаты статистико-геометрического и кластерного анализа моделей железа и палладия в процессе формирования МС при закалке, а также изучение морфологии отдельных структурных звеньев перколяционного кластера, образованного взаимопроникающими и контактирующими между собой икосаэдрами, раскрывают фундаментальные закономерности структурной организации металлических систем в жидком и в твердом аморфном состоянии, а также их эволюцию в процессе стеклования. Полученная информация об организации атомной структуры МС позволит прогнозировать результаты проводимых экспериментальных исследований процессов кристаллизации и стеклования чистых металлов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: V-й российской научно-технической конференции Физические свойства металлов и сплавов ФСМиС-V (2009, Екатеринбург); II-й международной научно-практической конференции Молодежь и наука. Реальность и будущее (2009, Невинномысск);
VI-м международном семинаре Физико-математическое моделирование систем (2009, Воронеж); Международной заочной научно-практической конференции Актуальные проблемы естественных наук (2011, Новосибирск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-5] построение компьютерной модели закалки расплава и анализ полученных данных; [6-8] построение и анализ кластерной модели аморфного сплава.
ичный вклад автора. Автором самостоятельно получены, обработаны и проанализированы все основные результаты, выносимые на защиту. Постановка задач, определение направлений исследований, обсуждение результатов, подготовка работ к печати и формулировка выводов работы осуществлялись совместно с научным руководителем доктором физико-математических наук, профессором А.Т. Косиловым.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы, содержащего 1наименование. Основная часть работы изложена на 113 страницах и содержит 49 рисунков и 5 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме работы.
В первой главе сделан краткий литературный обзор по теме диссертации.
Во второй главе изложены основные методы компьютерного эксперимента: молекулярной динамики (МД), статической релаксации (СР), Монте-Карло (МК). Рассмотрены различные подходы к описанию межатомного взаимодействия в металлических системах и методы анализа структуры модельных систем.
В третьей главе на основе статистико-геометрического анализа взаимного расположения икосаэдров в модели МС железа представлены результаты, раскрывающие закономерности структурной организации, морфологию и размерные характеристики икосаэдрических нанокластеров. Для этого были проведены анализ многогранников Вороного и кластерный анализ динамических моделей в процессе закалки.
Закалка модели проводилась со скоростью 2.2 1013 К/с. Процедура закалки имела циклический характер и сводилась к ступенчатому понижению температуры на 100 К, поддержанию этой температуры на протяжении 1000 t и последующему отжигу в адиабатических условиях в течение 2000 t.
В процессе закалки модели железа в интервале температур 2300 К - 0 К происходит непрерывный рост КМ типа (0-1-10-2), (0-2-8-4), (0-3-6-4), (0-0-12-0), (0-1-10-3), (0-1-10-4), (0-3-6-5), (0-0-12-2), (0-2-8-5), (0-0-12-3) с икосаэдрической симметрией расположения атомов.
Количество многогранников (0-0-12-0), (0-0-12-2) и (0-0-12-3) в результате закалки увеличилось в 15 раз. Для остальных перечисленных КМ эта величина значительно меньше. При температуре 0 К в системе доминируют КМ типа (0-1-10-2), (0-2-8-4) и (0-3-6-4). Первые два топологически близки к (0-0-12-0) - они, в отличие от икосаэдра, содержат дополнительно, соответственно, один и два атома. В построении КМ (0-1-10-2), (0-2-8-4) и (0-0-12-0) задействовано ~ 72 % атомов системы. Таким образом, к моменту окончания закалки большинство КМ в системе имеет элементы с икосаэдрической симметрией в расположении атомов.
а б Рис. 1. Распределение нанокластеров по размерам для различных температур: а - 2300 К, б - 0 К На рис. 1 представлены гистограммы распределения числа нанокластеров, состоящих только из взаимопроникающих икосаэдров, по количеству образующих эти нанокластеры икосаэдров в динамических моделях для температур начала 2300 К и конца 0 К закалки. С ростом размера кластера число таких кластеров резко уменьшается.
При высоких температурах кластеры из взаимопроникающих икосаэдров практически не образуются - икосаэдры могут только контактировать по грани, ребру или иметь общую вершину. Число таких икосаэдров при температуре 2300 К составляет 0,4% от общего числа многогранников системы (рис. 2, кривая 1). С понижением температуры, общее число одиночных икосаэдров монотонно увеличивается, достигает максимума вблизи ~ 500K и далее в результате перехода в другие виды КМ незначительно уменьшается.
Максимум на кривой распределения изолированных икосаэдров (кривая 2) объясняется тем, что до температуры 700 К их количество увеличивается за счет увеличения общего числа икосаэдров в системе, а после 700 К начинают поглощаться сформировавшимся перколяционным кластером.
Одиночный икосаэдр (рис. 3) имеет группу точечной симметрии m35. Имея относительно малое координационное число (12), икосаэдр является наиболее компактным из других КМ, встречающихся в данной системе, а наличие осей пятого порядка делает его несовместимым с Рис. 2 Зависимость общего числа трансляционной симметрией, и одиночных икосаэдров - 1 и числа поэтому формирование одиночных изолированных икосаэдров - аморфной структуры на основе от температуры закалки таких КМ препятствует процессу атомной перестройки при кристаллизации и стабилизирует аморфную структуру.
Рассмотрены возможные способы сопряжения икосаэдров в кластерах разного размера, представленных в таблице и на рис.
4. Следует отметить, что между количеством атомов в нанокластере и числом таких кластеров в системе нет монотонной Рис. 3. Икосаэдр зависимости.
Конфигурация из двух взаимопроникающих икосаэдров (рис. 4а), образует кластер, общее число которых в системе уступает лишь одиночным икосаэдрам. Такой кластер состоит из 19 атомов, 7 из которых принадлежат обоим икосаэдрам, а 2 из них являются центральными атомами этих икосаэдров. Группа симметрии кластера 102m.
Соотношение числа взаимопроникающих икосаэдров в кластере, числа атомов в кластере и количества соответствующих кластеров для температур начала 2300 К и конца закалки 0 К Число икосаэдров 1 2 3 Число атомов 13 19 23 25 26 27 29 30 Число кластеров при 2300 К 416 43 1 5 0 0 0 0 Число кластеров при 0 К 1694 650 79 261 3 9 75 1 Рисунок 4а 4в 4б 4ж 4е 4д 4з 4г а б в г д е ж з Рис. 4. Икосаэдрические нанокластеры состоящие из 2, 3, взаимопроникающих икосаэдров. Черные - центральные атомы, белые с цифрами 1, 2, 3 и 4 - атомы, принадлежащие 1, 2, 3, 4 икосаэдрам соответственно: а - 19 атомов, б - 25 атомов, в - 23 атома, г - 31 атом, д - 29 атомов, е - 27 атомов, ж - 26 атомов, з - 30 атомов В нанокластерах, состоящих из трех икосаэдров, возможно два вида сопряженияЦ с двумя (центры икосаэдров соединены двумя одинаковыми отрезками, симметрия mm2, рис. 4б) и тремя (центры икосаэдров образуют равносторонний треугольник, симметрия, 6mрис.4в) взаимопроникающими связями. При этом нанокластер состоит из 25 и 23 атомов соответственно. С понижением температуры в процессе закалки рост числа больших по размеру (25 атомов) протяженных кластеров, образованных цепочкой взаимопроникающих икосаэдров, существенно опережает рост меньших по размеру (атома), но более компактных нанокластеров.
Икосаэдрические нанокластеры, состоящие из одного, двух и трех взаимопроникающих икосаэдров, реализуются во всем температурном диапазоне закалки от 2300К до 0К. Кластеры, содержащие от четырех и более взаимопроникающих икосаэдров, при высоких температурах практически не образуются, а их рост начинается с температуры ~ 1500K.
Нанокластеры из 4 икосаэдров можно условно разделить на две группы: те, которые состоят из 27, 29 и 31 атома, и те, которые состоят из 26 и 30 атомов. Нанокластеры из первой группы реализуются гораздо чаще, и число их больше, а реализации нанокластеров из второй группы носят единичный характер. Нанокластер из 31 атома представляет собой цепочку взаимопроникающих икосаэдров. Из-за того, что цепочка центральных атомов изогнута, симметрия кластера понижается до 1. Таких нанокластеров из 4 икосаэдров в системе больше всего. Кластеры из 29 атомов меньше, чем из 31 (рис.4д). Три центральных атома образуют треугольник, четвертый центральный атом связан с одной из вершин треугольника. Симметрия кластера - m.
В кластере из 27 атомов (рис. 4е) центры икосаэдров образуют два смежных треугольника, расположенных в пересекающихся под углом 155 плоскостях. Атом, обозначенный л4 на рис. 4е, принадлежит одновременно четырем икосаэдрам. Число связей равно 5, причем по две связи приходится на два икосаэдра, и по три связи - на оставшиеся два. Симметрия - mm2.
Кластеры из 26 и 30 атомов выше точки стеклования вообще не образуются, а при низких температурах их число не превышает 4.. В кластерах из 26 атомов (рис. 4ж) 4 центральных атома имеют по взаимопроникающие связи друг с другом, то есть каждый икосаэдр является взаимопроникающим для остальных 3 соседей - максимально уплотненная конфигурация для кластера из 4 икосаэдров. Симметрия такого кластера отвечает классу 43m. В кластере из 30 атомов икосаэдры образуют цепочку таким образом, что два соседних атома, являются общими для всех четырех многогранников, (рис. 4з). Такая конфигурация является наименее предпочтительной для 4 икосаэдров, что парадоксально, так как количество взаимопроникающих связей в ней всего 3, как и в кластере из 31 атома. Вероятно, два атома, которые принадлежат всем 4 икосаэдрам, создают вокруг себя сильные поля напряжений, которые и не позволяют стабилизироваться данной структурной единице. Симметрия - mm2.
Нанокластеры из 5-7 взаимопроникающих икосаэдров, в основном, имеют вид неразветвленных цепочек или цепочек с одним разветвлением в виде равностороннего треугольника. При одном и том же количестве икосаэдров первых всегда больше, чем вторых.
Отдельные нанокластеры-цепочки из 8 и более взаимопроникающих икосаэдров практически не встречаются.
В процессе стеклования рост икосаэдрических нанокластеров из разных зародышей сопровождается их "столкновениями" друг с другом, появлением между ними контактов. Совокупность взаимопроникающих и контактирующих икосаэдров создает перколяционный кластер, в образовании которого принимают участие ~55% атомов модели.
В процессе закалки помимо формирования икосаэдрических нанокластеров происходит формирование нанокластеров, которые относятся к кристаллическим фазам железа. Кластерный анализ показал, что наибольший кластер с ОЦК структурой из КМ (0-6-0-8) образуется при 300 К и состоит из 42 атомов. Количество атомов, участвующих в построении таких кластеров, не превышает 2,1%.
Проведен анализ вариантов сопряжения икосаэдров с другими типами КМ в системе во всем температурном диапазоне закалки.
Показано, что контакты реализуются с многогранниками преимущественно икосаэдрического типа: (0-1-10-2), (0-2-8-4), (0-1-103), (0-1-10-4), (0-2-8-5), (0-0-12-2) и т.д. Координационные числа таких КМ больше 12, поэтому они менее плотноупакованные, чем икосаэдры.
Более рыхлая структура таких КМ обеспечивает структурную неоднородность МС: плотноупакованные искосаэдрические нанокластеры чередуются с рыхлыми структурными областями.
В изотермических условиях колебания атомов вызывают перестройку кластерной структуры. Поэтому кластеры следует рассматривать не как застывшие образования, а как некие объекты, которые со временем меняют свою конфигурацию за счет локальных перемещений атомов.
В связи с этим, был проведен анализ эволюции кластера во времени в изотермических условиях. Для этого был выбран самый большой нанокластер, который образовался при температуре 300 К и изначально состоял из 27 икосаэдров. В его состав входило 158 атомов.
Далее при 300 К вся исследуемая система выдерживалась при адиабатических условиях в течение 1000t. Измерение структурных характеристик системы проводилось через каждые 100t. В итоге было сделано 11 измерений. Общий вид нанокластера представлен на рис. 6.
Такая структура встречалась только в моменты времени 0t и 600t. Во все остальные моменты времени атомы, задействованные в его построении, принадлежат другим более мелким кластерам. На рис. числами от 1 до 11 отмечено, какое количество раз, данный атом находился в центре икосаэдра из 11 реализаций. На основании этих данных построена гистограмма (рис.7), показывающая, что большинство атомов (18) остаются в центре икосаэдра в течение всего времени отжига. Гистограмма также показывает распределение атомов вблизи перевального состояния. Она позволяет установить, что на перевальном состоянии атомы на задерживаются. Они становятся центрами либо икосаэдров, либо других КМ. Чаще всего это КМ типа (0-1-10-2), (1-0-9-3), (0-2-8-2). Механизм превращений заключается в том, что локальное перемещение всего одного атома из ближайшего окружения центрального атома на небольшое расстояние изменяет тип КМ.
0 1 2 3 6 7 8 9 10 Кол4 т ичес5во реализаций Рис. 7. Гистограмма распределения Рис. 6. Общий вид числа атомов по количеству нахождения в кластера икосаэдрическом окружении в процессе отжига из 11 измерений Атомы, которые были в центрах икосаэдров всего один раз из (таких четыре, обозначены л1 на рис. 6) располагаются на периферии кластера и имеют 1-2 связи с ближайшими соседями. Цепочка из Икосаэдры, шт атомов л10, л2 и л7 в середине является связующим звеном между нанокластерами, на которые разбивается основной кластер в процессе отжига. Их единовременная реализация (все являлись центрами икосаэдров в один и тот же момент времени) и приводит к образованию большого кластера, состоящего из 27 икосаэдров. Во все остальные моменты времени хотя бы один их 27 икосаэдром не является. Интерес также представляет кластер в нижней части рис. 6, который представляет собой кольцо взаимопроникающих икосаэдров. Данное кольцо имеет ось симметрии 6-го порядка, перпендикулярную плоскости кольца. Геометрический анализ показал, что все икосаэдров, входящих в состав кольца, помимо шести взаимопроникающих связей, имеют одно общее ребро (то есть два общих атома). Направление этого ребра совпадает с осью 6-го порядка.
В четвертой главе методом молекулярной динамики изучены закономерности перестройки атомной структуры чистого палладия в процессе закалки из жидкого состояния до 0К и проведено сопоставление структурной организации МС палладия и железа.
а б Рис. 8. Парная ФРРА моделей палладия (а) и железа (б) при 0 K Функция радиального распределения атомов (ФРРА) МС палладия, полученная при 0 К, показана на рис. 8а. Типичное для аморфных систем расположение размытых максимумов, характер расщепления второго пика, высокая степень сходства ее с ФРРА МС железа, приведенной на рис. 8б (кружки - экспериментальная ФРРА), позволяет сделать предварительный вывод о том, что полученная структура модели палладия аморфная, с такой же структурной организацией атомов, как и у железа.
Статистико-геометрический анализ показал, что в модели палладия при закалке увеличивается доля МВ (0-4-4-6), (0-2-8-4), (0-110-2), при этом рост икосаэдрических КМ, характерных для модели железа, незначителен.
В процессе закалки появляются МВ, характерные для равновесных кристаллических фаз: для железа с ОЦК-решеткой характерен МВ (0-6-0-8), а соответствующий КМ - ромбододекаэдр;
для палладия с ГЦК-решеткой характерен МВ (0-12-0-0), а соответствующий КМ - кубооктаэдр.
При анализе КМ ГЦК-фазы возникает проблема, связанная с наличием вырождения у соответствующего МВ (0-12-0-0). Данный многогранник содержит шесть вершин, в каждой из которых сходятся по четыре ребра. Сколь угодно малые отклонения атомов от положений, соответствующих идеальной ГЦК-решетке, неизбежно приводят к расщеплению данных вершин, на месте которых образуются либо мелкие ребра, либо мелкие грани. В результате такой МВ приобретает топологические индексы, отличные от (0-12-0-0).
Для нахождения КМ, соответствующих ГЦК-решетке, в работе применена процедура последовательного удаления ребер МВ в порядке возрастания их длины. Если топологический индекс многогранника после удаления очередного ребра оказывался равным (0-12-0-0), то такой МВ считался ромбододекаэдром, а соответствующий ему КМ - кубооктаэдром.
Таким образом, данная процедура позволила выявить кубооктаэдрические КМ. Их количество в модели палладия резко возрастает при удалении ребер МВ длиной до 0.1 нм, а с дальнейшим увеличением длины отбрасываемых ребер быстро выходит на насыщение (рис. 9, кривая 1).
Значение 0.1 нм приблизительно соответствует минимуму на распределении длин ребер МВ (0-12-0-0) (рис. 9, кривая 2), который отделяет мелкие ребра, связанные с незначительными искажениями кубооктаэдрического КМ, от основных ребер многогранника.
В процессе закалки наблюдается незначительный рост МВ (0-0-12-0) от 521 в исходном расплаве при T = 2300 K до 1852 при T = K (рис. 10). Также незначительно увеличивается доля МВ (0-6-0-8) от 48 при 2300 K до 1795 при 0 K. Самый активный рост наблюдается МВ (0-12-0-0), соответствующих ГЦК структуре: от 53 в исходном расплаве при 2300К (менее 0.1 % от общего числа МВ) до 5136 (5.1 %) при 0 К.
Рис. 10. Изменение количества Рис. 9. Распределение по длинам ребер МВ, близких к (0-12-0-0) (1), и зависимость основных видов КМ в процессе числа МВ (0-12-0-0) от максимальной длины закалки модели чистого палладия с отбрасываемых ребер l (2) для модели палладия, 2300 К до 0 К полученной при закалке до температуры 0 K В построении наибольшего кристаллического кластера полученного в модели палладия при температуре 0К, задействовано 1413 атомов. Он содержит 325 взаимопроникающих кубоктаэдров.
Всего в постоении кристаллических кластеров принимает участие 38 % атомов системы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. В процессе закалки из жидкого состояния модели железа образуются кристаллические и икосаэдрические нанокластеры.
Количество атомов, участвующих в построении нанокластеров с ОЦКструктурой во всем температурном интервале закалки, на два порядка меньше, чем число атомов, участвующих в построении икосаэдрических кластеров. Наибольший кристаллический ОЦКнанокластер содержит 40 атомов; наибольший икосаэдричекий нанокластер - 160 атомов.
2. Для всего температурного диапазона закалки наибольшая доля икосаэдрических нанокластеров приходится на одиночные икосаэдры.
В процессе закалки их число растет вплоть до температуры стеклования. При дальнейшем понижении температуры в результате формирования нанокластеров больших размеров их число меняется незначительно.
3. Изучены морфология нанокластеров, их симметрия, распределения нанокластеров по числу образующих их атомов.
Показано, что число атомов в икосаэдрических нанокластерах зависит не только от числа образующих кластер икосаэдров, но и от характера сопряжения взаимопроникающих икосаэдров: чем меньше число взаимопроникающих связей, тем больше атомов в нанокластере.
4. При всех температурах закалки происходит непрерывный процесс обновления икосаэдрических нанокластеров за счет обмена атомами с ближайшим окружением. При температурах выше температуры стеклования этот процесс сопровождается полным обновлением икосаэдрической субструктуры, а при температурах ниже температуры стеклования происходит частичное обновление икосаэдрических нанокластеров путем взаимных переходов икосаэдров в КМ (0-1-10-2), (1-0-9-3), (0-2-8-2) и обратно, при этом общее число атомов, принимающих участие в построении икосаэдров, практически не меняется.
5. Точечная группа симметрии икосаэдрических нанокластеров зависит от характера сопряжения образующих их икосаэдров и от числа атомов в нанокластере; она меняется от высшей m35 (одиночный икосаэдр) до низшей 1 (цепочка взаимопроникающих икосаэдров).
6. Проведен анализ вариантов сопряжения икосаэдров с другими типами координационных многогранников в системе во всем температурном диапазоне закалки. Показано, что контакты реализуются с многогранниками преимущественно икосаэдрического типа: (0-1-10-2), (0-2-8-4), (0-1-10-3), (0-1-10-4), (0-2-8-5), (0-0-12-2) и т.д.
7. В основе организации кластерной структуры железа и палладия лежат разные типы координационных многогранников.
Кристаллические нанокластеры палладия, на формирование которых задействовано 38 % атомов, образованы взаимопроникающими кубооктаэдрами, и лишь 6 % атомов участвуют в формировании икосаэдрических нанокластеров. В МС железа, наоборот, 55 % атомов участвуют в построении икосаэдрических нанокластеров, и лишь 3% - кристаллических.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Кластерная модель структурной организации аморфного железа/ Е.В. Левченко, А.В. Евтеев, С.Ю. Вахмин, А.Т. Косилов, А.Ю.
Прядильщиков// Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 109. N 6. С. 603-607.
2. Вахмин С.Ю.,, Молекулярно-динамическое моделирование процесса кристаллизации переохлажденного железа/ С.Ю. Вахмин, А.Т. Косилов// Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. Т.6. № 6. С.75-77.
Статьи и материалы конференций 3. Исследование процессов образования и роста кристаллической фазы в аморфном железе/ А.Т. Косилов, Е.В. Левченко, А.В. Евтеев, С.Ю.
Вахмин// Физические свойства металлов и сплавов ФСМиС-V: тез. докл.
V рос. науч.-техн. конф. Екатеринбург, 2009. С. 94.
4. Вахмин С. Ю. Ближний и дальний порядок металлического стекла железа/ С.Ю. Вахмин// Молодежь и наука: реальность и будущее: материалы II междунар. науч.-практ. конф. Невинномысск:
НИЭУП, 2009.Т. 8. С. 41.
5. Кристаллизация молекулярно-динамической модели переохлажденного железа/ А.В. Евтеев, Е. А. Левченко, С.Ю. Вахмин, А.Т. Косилов // Физико-математическое моделирование систем: материалы VI междунар. семинара Воронеж, 2009, Ч. 1. С.
6. Косилов А.Т. Кластерный анализ модели металлического стекла железа/ А.Т. Косилов, С.Ю. Вахмин, С.Н. Подгорнов //Вестник ФТФ: сб. науч. тр. студентов и аспирантов физико-технического факультета. Воронеж, 2009. Вып.5. С.128-132.
7. Косилов А. Т. Компьютерное моделирование структуры расплава железа/ А. Т. Косилов, С. Ю. Вахмин, Е. В. Криворучко // Вестник ФТФ: сб. науч. тр. студентов и аспирантов физикотехнического факультета. Воронеж, 2010. Вып.6. С.137-141.
8. Король А.В. Влияние размерного несоответствия компонент на стеклование сплавов металл-неметалл/ А.В. Король, С.Ю. Вахмин, А.Т.
Косилов//Актуальные проблемы естественных наук: материалы междунар. заочной науч.-практ. конф. - Новосибирск: Априори, 20- С. 71-76.
Подписано в печать __.__.20Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж __ экз. Заказ № ___ ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп.,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике