Расчет термодинамических характеристик системы Fe-P методом молекулярной динамики

Проблема дефосфоризации железоуглеродистых сплавов является актуальной для металлургической отрасли, так как высокая концентрация фосфора способствует появлению целого ряда крайне нежелательных явлений. Решению этой проблемы посвящено множество экспериментальных работ, но справиться с ней окончательно до сих пор не удалось. Любые натурные эксперименты, направленные на исследование процесса удаления фосфора, требуют немалых материальных и временных затрат, но при этом не гарантируют получение нужного результата. Поэтому для поиска новых подходов к разрешению обозначенной проблемы гораздо рациональнее использование методов численного моделирования с привлечением вычислительных возможностей современных компьютеров. В настоящее время компьютерные эксперименты являются таким же признанным методом исследования как теоретическое исследование и реальный эксперимент. Для изучения поведения атомов фосфора в железе с помощью численного эксперимента необходимо построить расчетную модель и апробировать ее путем вычисления различных характеристик, значения которых заранее известны. В качестве метода компьютерного моделирования в данной работе был выбран метод молекулярной динамики. С помощью данного метода можно проводить эксперименты с заданными скоростями атомов и описывать динамику исследуемых процессов в реальном времени. Для описания межчастичного взаимодействия использовался потенциал, рассчитанный в рамках метода погруженного атома. Исследование проводилось на расчетной ячейке, имитирующей кристалл α-железа с атомами замещения фосфора. Построенная модель продемонстрировала удовлетворительные результаты при вычислении известных характеристик моделируемой системы. Были установлены зависимости изменения  таких характеристик как температурный коэффициент линейного расширения, температура плавления, скрытая теплоты плавления и теплоемкость от концентрации атомов замещения фосфора, а также в отдельных случаях от величины приложенного внешнего давления. Расчеты показали, что, например, концентрация фосфора 0.5% приводит к росту среднего теплового коэффициента линейного расширения на 9%, снижению температуры и скрытой теплоты плавления на 5%, а теплоемкости на 7%.

кристалл, примесь, молекулярная динамика, потенциал, EAM, температура, давление, теплота, энтальпия

1. Daud A.D., Semin A.E., Kotel'nikov G.I., Shchukina L.E. Dephosphorization of chromium melts using rare earth metal oxides. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaya metallurgiya. 2017, vol.60, no.1, pp.54-59. (In Russ).

2. Robei R., Uaitkhed M. Introduced treatment of pig iron, taking into account specific production conditions. MRT. Metallurgicheskoe proizvodstvo i tekhnologiya metallurgicheskikh protsessov. 2014, no.1, pp.16-24. (In Russ).

3. Georgadze A.G., Gerner V.I., Elashvili M.I., Nikiforov P.A., Pletnev A.N., Smirnov S.A. Conditions for the dephosphorization of the liquid metal in the casting ladle. Lit'e i metallurgiya. 2012, no.3(67), pp.117-119. (In Russ).

4. Starostenkov M.D., Potekaev A.I., Grinkevich L.S., Kulagina V.V., Markidonov A.V. Dynamics of edge dislocations in a low-stability fcc-system irradiated by high-energy particles. Russian Physics Journal. 2017, vol.59, no.9, pp.1446-1453.

5. Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Smirnova M.V. Self-diffusion process in an FCC crystal caused by the passage of a shock wave. Russian Physics Journal. 2015, vol.58, no.6, pp.828-832.

6. Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Poletaev G.M. Transformation of nanopores in gold under conditions of thermoactivation and the effects of acoustic and shock waves. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2015, vol.79, no.9, pp.1089-1092.

7. Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Tabakov P.Y. Splitting vacancy voids in the grain boundary region by a post-cascade shock wave. Materials Physics and Mechanics. 2013, vol.18, no.2, pp.148-155.

8. Cherkaoui M., Capolungo L. Atomistic and Continuum Modeling of Nanocrystalline Materials: Deformation Mechanisms and Scale Transition. New York: Springer Science & Business Media, 2010, 480 p.

9. Daw M. S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities and other defects in metals. Physical Review B. 1984, vol.29, no.12, pp.6443-6453.

10. Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys. Physical Review B. 1986, vol.33, no.12, pp.7983-7991.

11. Ackland G.J., Mendelev M.I., Srolovitz D.J., Han S., Barashev A.V. Development of an interatomic potential for phosphorus impurities in α-iron. Journal of Physics: Condensed Matter. 2004, vol.16, pp.2629-2642.

12. Ko W.-S., Kim N.-J., Lee B.-J. Atomistic modeling of an impurity element and a metal–impurity system: pure P and Fe–P system. Journal of Physics: Condensed Matter. 2012, vol.14, pp.225002-225016.

13. Andersen H.C. Molecular dynamics simulations at constant pressure and/or temperature. The Journal of Chemical Physics. 1980, vol.72, no.4, pp.2384-2393.

14. Grigor'ev I.S., Meilikhov E.Z. Physical quantities: reference book. Moscow: Energoatomizdat, 1991, 1232 p. (In Russ).

15. Belonoshko A.B., Skorodumova N.V., Rosengren A., Johansson B. Melting and critical superheating. Physical Review B. 2006, vol.73, pp.0122011-0122013.

16. Mazhukin V.I., Shapranov A.V., Perezhigin V.E., Koroleva O.N., Mazhukin A.V. Kinetic melting and crystallization stages of strongly superheated and supercooled metals. Mathematical Models and Computer Simulations. 2017, vol.9, no.4, pp.448-456.

17. Yang H., Lu Y., Chen M., Guo Z. A molecular dynamics study on melting point and specific heat of Ni3Al alloy. Science in China. Series G: Physics, Mechanics & Astronomy. 2007, vol.50, no.4, pp.407-413.

18. Table of physical quantities: reference book / pod red. akad. I.K. Kikoina. Moscow: Atomizdat, 1976, 1008 p. (In Russ).

19. Zaitsev I.D., Zozulya A.F., Aseev G.G. Machine calculation of physico-chemical parameters of inorganic substances. Moscow: Khimiya, 1983, 256 p. (In Russ).

20. Zinov'ev V.E. Thermophysical properties of metals at high temperatures: reference book. Moscow: Metallurgiya, 1989, 384 p. (In Russ).