Влияние примесей легких элементов на процесс кристаллизации никеля в области тройного стыка границ зерен: молекулярно-динамическое моделирование

Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния примесей легких элементов (углерода, азота и кислорода) на процесс кристаллизации в области тройного стыка границ зерен в никеле. В качестве границ зерен рассматривались границы наклона с осью разориентации <111>. Расчетная ячейка имела форму цилиндра, ось которого совпадала с линией тройного стыка и осью разориентации зерен. Вдоль оси цилиндра были наложены периодические граничные условия, атомы на боковой поверхности цилиндра были неподвижны. Для моделирования кристаллизации расчетная ячейка плавилась путем нагревания до температуры, значительно превышающей температуру плавления никеля. После того как моделируемый поликристалл становился жидким, включался термостат и проводилось выдерживание при постоянной температуре ниже температуры плавления. Жесткие граничные условия на боковой поверхности цилиндрической расчетной ячейки имитировали в данном случае фронты кристаллизации от трех центров кристаллизации. Область вблизи тройного стыка кристаллизовалась в последнюю очередь. В этой области концентрировались дефекты и свободный объем. Наличие примесей приводило к существенному замедлению скорости кристаллизации. При введении 10 % примесных атомов скорость движения фронта кристаллизации падала в несколько раз. Влияние примесей на скорость кристаллизации усиливалось в направлении C – N – O, что связано с отличием деформации кристаллической решетки, которую вызывают примесные атомы: чем больше эта деформация, тем сильнее примесные атомы тормозят фронт кристаллизации. Для примесных атомов углерода характерным было образование агрегатов при достаточно высоких концентрациях. Фронт кристаллизации задерживался на данных агрегатах. Атомы кислорода и азота не образовывали агрегатов, тем не менее вследствие вызываемых ими искажений кристаллической решетки также сильно тормозили фронт кристаллизации.

молекулярная динамика, металл, примесь, тройной стык, кристаллизация, свободный объем

1. 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. No. 9. P. 1771 – 1776.

2. Bokstein B., Ivanov V., Oreshina O., Peteline A., Peteline S. Direct experimental observation of accelerated Zn diffusion along triple junctions in Al // Materials Science and Engineering: A. 2001. Vol. 302. No. 1. P. 151 – 153.

3. Bokstein B.S., Rodin A.O., Straumal B.B. Diffusion controlled grain triple junctions wetting in metals // Defect and Diffusion Forum. 2011. Vol. 309-310. P. 231 – 238.

4. Wegner M., Leuthold J., Peterlechner M., Song X., Divinski S.V., Wilde G. Grain boundary and triple junction diffusion in nanocrystalline copper // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 116. P. 093514-1 – 093514-7.

5. Beke D.L., Lakatos A., Erdelyi G., Makovecz A., Langer G.A., Daroczi L., Vad K., Csik A. Investigation of grain boundary diffusion in thin films by SNMS technique // Defect and Diffusion Forum. 2011. Vol. 312-315. P. 1208 – 1215.

6. Fedorov A.A., Gutkin M.Yu., Ovid’ko I.A. Triple junction diffusion and plastic flow in fine-grained materials // Scripta Materialia. 2002. Vol. 47. P. 51 – 55.

7. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях // Успехи физических наук. 1998. Т. 168. № 1. С. 55 – 83.

8. Li M., Xu T. Topological and atomic scale characterization of grain boundary networks in polycrystalline and nanocrystalline materials // Progress in Materials Science. 2011. Vol. 56. No. 6. P. 864 – 899.

9. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Предел текучести и пластическая деформация нанокристаллических материалов // Успехи механики. 2003. № 1. С. 68 – 125.

10. Rodriguez P., Sundararaman D., Divakar R., Raghunathan V.S. Structure of grain boundaries in nanocrystalline and quasicrystalline materials // Chemistry for Sustainable Development. 2000. Vol. 8. P. 69 – 72.

11. Schaefer H.-E., Wurschum R, Birringer R., Gleiter H. Structure of nanometer-sized polycrystalline iron investigated by positron lifetime spectroscopy // Physical Review B. 1988. Vol. 38. No. 14-15. Article 9545.

12. Muktepavela F., Bakradze G., Sursaeva V. Micromechanical properties of grain boundaries and triple junctions in polycrystalline metal exhibiting grain-boundary sliding at 293 K // Journal of Materials Science. 2008. Vol. 43. P. 3848 – 3854.

13. Poletaev G.M., Novoselova D.V., Zorya I.V., Starostenkov M.D. Formation of the excess free volume in triple junctions during nickel crystallization // Physics of the Solid State. 2018. Vol. 60. No. 5. P. 847 – 851.

14. Psakhie S.G., Zolnikov K.P., Kryzhevich D.S., Korchuganov A.V. Key role of excess atomic volume in structural rearrangements at the front of moving partial dislocations in copper nanocrystals // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. P. 3867-1 – 3867-6.

15. Poletaev G., Zorya I., Rakitin R. Molecular dynamics study of migration mechanism of triple junctions of tilt boundaries in FCC metals // Computational Materials Science. 2018. Vol. 148. P. 184 – 189.

16. Козлов Э.В., Конева Н.А., Попова Н.А. Зеренная структура, геометрически необходимые дислокации и частицы вторых фаз в поликристаллах микро- и мезоуровня // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 4. С. 93 – 106.

17. Гольдшмидт Х.Дж. Сплавы внедрения. – М.: Мир, 1971. – 424 с.

18. Toth L.E. Transition metal carbides and nitrides. – New York: Academic Press, 1971. – 276 p.

19. Cleri F., Rosato V. Tight-binding potentials for transition metals and alloys // Physical Review B. 1993. Vol. 48. No. 1. P. 22 – 33.

20. Poletaev G.M., Zorya I.V., Rakitin R.Y., Iliina M.A. Interatomic potentials for describing impurity atoms of light elements in FCC metals // Materials Physics and Mechanics. 2019. Vol. 42. No. 4. P. 380 – 388.

21. Poletaev G.M., Zorya I.V., Novoselova D.V., Starostenkov M.D. Molecular dynamics simulation of hydrogen atom diffusion in crystal lattice of fcc metals // International Journal of Materials Research. 2017. Vol. 108. No. 10. P. 785 – 790.

22. 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 Ni3Al // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2019. Vol. 128. No. 1. P. 88 – 93.

23. Ruda M., Farkas D., Garcia G. Atomistic simulations in the Fe–C system // Computational Materials Science. 2009. Vol. 45. No. 2. P. 550 – 560.

24. 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.

25. San Miguel M.A., Sanz J.F. Molecular-dynamics simulations of liquid aluminum oxide // Physical Review B. 1998. Vol. 58. P. 2369 – 2371.

26. Chan W.-L., Averback R.S., Cahill D.G., Ashkenazy Y. Solidi velocities in deeply undercooled silver // Physical Review Letters. 2009. Vol. 102. No. 9. Article 095701.