Влияние примесных атомов легких элементов на диффузию по границам зерен в ГЦК металлах: молекулярно-динамическое моделирование

Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния примесных атомов углерода и кислорода на диффузию по границам зерен наклона с осями разориентации <100> и <111> в металлах с ГЦК решеткой. Рассматривали никель, серебро и алюминий. Взаимодействия атомов металла друг с другом описывались многочастичными потенциалами Клери-Розато, построенными в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов примесей легких элементов с атомами металла и атомов примесей друг с другом использовали парные потенциалы Морзе. Примеси в большинстве случаев приводят к увеличению коэффициента самодиффузии по границам зерен. Это обусловлено деформацией кристаллической решетки вблизи примесных атомов, из-за чего вдоль границ возникают дополнительные искажения и свободный объем. Более выражено это для примеси углерода. С ростом концентрации углерода в металле наблюдали сначала увеличение коэффициента зернограничной самодиффузии, затем снижение. Такое поведение объясняется образованием агрегатов атомов углерода на границе зерен, что приводит к частичному запиранию границы. Атомы кислорода оказывали меньшее влияние на диффузию по границам зерен. По-видимому, это объясняется отсутствием тенденции к образованию агрегатов и меньшей деформацией кристаллической решетки вокруг примеси. Наибольший эффект от примесей на самодиффузию по границам зерен среди рассмотренных металлов наблюдался для никеля. Никель обладает наименьшим параметром решетки, примесные атомы сильнее деформируют его решетку вокруг себя по сравнению с алюминием и серебром. В никеле создается сравнительно больше искажений решетки и дополнительного свободного объема вдоль границ зерен, которые приводят к росту диффузионной проницаемости. Коэффициенты диффузии вдоль большеугловых границ с углом разориентации 30° оказались примерно в два раза выше, чем вдоль малоугловых границ с углом разориентации 7°. При этом диффузия вдоль границ <100> протекала интенсивнее, чем вдоль границ <111>

молекулярная динамика, металл, примесь, граница зерен, граница наклона, диффузия

1. Veiga R.G.A., Goldenstein H., Perez M., Becquart C.S. Monte Carlo and molecular dynamics simulations of screw dislocation locking by Cottrell atmospheres in low carbon Fe–C alloys // Scripta Materialia. 2015. Vol. 108. P. 19 – 22.

2. Карькина Л.Е., Карькин И.Н., Яковлева И.Л., Зубкова Т.А. Моделирование диффузии углерода вблизи дислокации b/2[010] (001) в цементите // Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114. № 2. С. 172 – 178.

3. Atrens A. Dependence of the pinning point dislocation interaction energy on the dislocation structure in zirconium oxygen alloys // Scripta Metallurgica. 1974. Vol. 8. No. 4. P. 401 – 412.

4. Sursaeva V., Zieba P. Diffusion impurity drag of twin grain boundaries and triple junctions motion in zinc // Defect and Diffusion Forum. 2005. Vol. 237-240. P. 578 – 583.

5. Iwasaki T., Sasaki N., Yasukawa A., Chiba N. Molecular dynamics study of impurity effects on grain boundary grooving // Japan Society of Mechanical Engineers. Part A. 1997. Vol. 40. No. 1. P. 15 – 22.

6. Goldschmidt H.J. Interstitial Alloys. – London: Butterworths, 1967. – 640 p.

7. Pauling L. The Nature of the Chemical Bond, Third Edition. – Ithaca: Cornell University Press, 1960. – 664 p.

8. Cleri F., Rosato V.V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Physical Review B. 1993. Vol. 48. P. 22 – 33.

9. Зоря И.В., Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Примесные атомы легких элементов в кристаллах металлов: молекулярнодинамическое моделирование // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. № 4. С. 526 – 532.

10. Poletaev G.M., Starostenkov M.D. Mutual diffusion at the interface in a two-dimensional Ni-Al system // Technical Physics Letters. 2003. Vol. 29. No. 6. P. 454 – 455.

11. Rakitin R.Yu., Poletaev G.M., Aksenov M.S., Starostenkov M.D. Mechanisms of grain-boundary diffusion in two-dimensional metals // Technical Physics Letters. 2005. Vol. 31. No. 8. P. 650 – 652.

12. Poletaev G.M., Starostenkov M.D. Dynamic collective displacements of atoms in metals and their role in the vacancy mechanism of diffusion // Physics of the Solid State. 2009. Vol. 51. No. 4. P. 727 – 732.

13. Ruda M., Farkas D., Garcia G. Atomistic simulations in the Fe–C system // Computational Materials Science. 2009. Vol. 45. P. 550 – 560.

14. Vashishta P., Kalia R.K., Nakano A., Rino J.P. Interaction potentials for alumina and molecular dynamics simulations of amorphous and liquid alumina // Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 103. No. 8. P. 083504.

15. Palumbo G., Aust K.T. A coincident axial direction (CAD) approach to the structure of triple junctions in polycrystalline materials // Scripta Metallurgica et Materialia. 1990. Vol. 24. P. 1771 –1776.

16. Ovid’ko I.A., Sheinerman A.G. Diffusion percolation along triple junctions in nanocrystalline materials // Reviews on Advanced Materials Science. 2004. Vol. 6. No. 1. P. 41 – 47.

17. Zhou Y., Erb U., Aust K.T., Palumbo G. The effects of triple junctions and grain boundaries on hardness and Young’s modulus in nanostructured Ni–P // Scripta Materialia. 2003. Vol. 49. No. 1. P. 825 – 830.

18. Prokoshkina D., Esin V.A., Wilde G., Divinski S.V. Grain boundary width, energy and self-diffusion in nickel: Effect of material purity // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 14. P. 5188 – 5197.

19. Poletaev G.M., Zorya I.V., Starostenkov M.D., Rakitin R.Yu., Tabakov P.Ya. Molecular dynamics simulation of the migration of tilt grain boundaries in Ni and Ni 3 Al // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2019. Vol. 128. No. 1. P. 88 – 93.

20. Yue-Lin L., Shuo J., Ying Zh. Interaction between impurity nitrogen and tungsten: a first-principles investigation // Chinese Physics B. 2012. Vol. 21. No. 1. P. 016105.

21. Amara H., Roussel J.-M., Bichara C., Gaspard J.-P., Ducastelle F. Tight-binding potential for atomistic simulations of carbon interacting with transition metals: Application to the Ni-C system // Physical Review B. 2009. Vol. 79. No. 1. P. 014109.

22. Siegel D.J., Hamilton J.C. First-principles study of the solubility, diffusion, and clustering of C in Ni // Physical Review B. 2003. Vol. 68. P. 094105.

23. Zhu Y.-A., Dai Y.-C., Chen D., Yuan W.-K. First-principles study of carbon diffusion in bulk nickel during the growth of fishbone-type carbon nanofibers // Carbon. 2007. Vol. 45. No. 1. P. 21 – 27.

24. Aguiar-Hualde J.M., Magnin Y., Amara H., Bichara C. Probing the role of carbon solubility in transition metal catalyzing single-walled carbon nanotubes growth // Carbon. 2017. Vol. 120. P. 226 – 232.

25. Lee B.-J. A modified embedded-atom method interatomic potential for the Fe–C system // Acta Materialia. 2006. Vol. 54. No. 3. P. 701 – 711.

26. Vykhodets V.B., Kurennykh T.E., Lakhtin A.S., Fishman A.Ya. Diffusion of light elements in BCC, FCC and HCP metals // Solid State Phenomena. 2008. Vol. 138. P. 119 – 132.