Моделирование процесса залечивания пор цилиндрической формы под воздействием ударных волн в кристалле, подвергнутом сдвиговой деформации

Объемные дефекты в кристаллах ухудшают эксплуатационные свойства конструкционных материалов, поэтому проблема уменьшения количества несплошностей в твердом теле является одной из важнейших в современном материаловедении. Изложены результаты компьютерного моделирования. Возможно схлопывание пор в кристалле, пребывающем в состоянии сдвиговой деформации, под воздействием ударных волн. Подобные волны могут возникать в твердом теле при внешнем высокоинтенсивном воздействии. Например, в зоне распространения каскада смещений существуют области, в которых имеется несоответствие времен термализации атомных колебаний и отвода от них тепла. В результате расширения такой области возникает ударная послекаскадная волна. Моделирование проведено по методу молекулярной динамики с использованием потенциала, рассчитанного в рамках метода погруженного атома. В качестве объемного дефекта рассмотрены протяженные поры цилиндрической формы, которые могут формироваться после прохождения через кристалл высокоэнергетических ионов или при выходе на поверхность перегретых замкнутых включений жидкости (маточного раст­вора). Исследования показали, что подобного рода дефекты являются источником гетерогенного зарождения дислокационных петель, способствующих снижению касательных напряжений в моделируемой структуре. Установлены зависимости средней плотности дислокаций от угла сдвига и температуры расчетной ячейки, выполнена оценка скорости роста петель. Генерируемые ударные волны создают дополнительные касательные напряжения, способствующие образованию дислокационных петель, поэтому в таком случае наблюдаются дислокации даже при малой сдвиговой деформации. Если в ходе моделирования увеличивается тепловое воздействие, то осуществляется схлопывание поры.

1. Бетехтин В.И. Пористость и механические свойства твердых тел // Вестник Томского государственного университета. 1998. Т. 3. № 3. С. 209–210.

2. Ovchinnikov V.V. Radiation-dynamic effects. Potential for producing condensed media with unique properties and structural states // Physics-Uspekhi. 2008. Vol. 51. No. 9. P. 955–964. http://dx.doi.org/10.1070/PU2008v051n09ABEH006609

3. Calder A.F., Bacon D.J., Barashev A.V., Osetsky Yu.N. On the origin of large interstitial clusters in displacement cascades // Philosophical Magazine. 2010. Vol. 90. No. 7-8. P. 863–884. https://doi.org/10.1080/14786430903117141

4. Кривцов А.М. Описание пластических эффектов при молекулярно-динамическом моделировании откольного разрушения // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 6. С. 1025–1030.

5. Зольников К.П., Корчуганов А.В., Крыжевич Д.С., Чернов В.М., Псахье С.Г. Ударные волны в металлических кристаллитах при радиационном воздействии // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Термоядерный синтез». 2015. Т. 38. № 2. С. 68–74.

6. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Павловская Е.П., ЯшинА.В., Полетаев Г.М. Низкотемпературное растворение поры вблизи поверхности кристалла под воздействием ударных волн// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 2. С. 254–260.

7. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Павловская Е.П., ЯшинА.В., Медведев Н.Н., Захаров П.В. Структурная трансформация вакансионных пор в деформированном кристалле под воздействием ударных волн // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 4. С. 563–571.

8. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Захаров П.В., Обидина О.В. Порообразование в ГЦК кристалле под воздействием ударных послекаскадных волн // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2015. Т. 12. № 2. С. 231–240.

9. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Полетаев Г.М. Трансформация нанопор в золоте в условиях термоактивации и воздействия звуковых и ударных волн // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2015. Т. 79. № 9. С. 1233. https://doi.org/10.7868/S0367676515090136

10. Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Захаров П.В., ЛубянойД.А., Липунов В.Н. Эмиссия дислокационных петель нанопорами в ГЦК-кристалле под воздействием ударных послекаскадных волн при сдвиговой деформации // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2019. Т. 156. № 6 (12). С. 1078–1083. https://doi.org/10.1134/S0044451019120046

11. Barbu A., Dunlop A., Lesueur D., Averback R.S. Latent tracks do exist in metallic materials // Europhysics Letters. 1991. Vol. 15. No.1. P. 37–42. https://doi.org/10.1209/0295-5075/15/1/007

12. Прокофьев М.А., Бердоносова Д.Г., Мелихов И.В., Бердо­ носовС.С. О возможности получения кристаллических материалов, содержащих протяженные цилиндрические поры// Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. 2010. Т.51. № 4. С.325–330.

13. 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. P. 7983–7991. https://doi.org/10.1103/physrevb.33.7983

14. XMD – Molecular Dynamics for Metals and Ceramics. [Electronic resource]. Available at URL: http://xmd.sourceforge.net/about.html (Accessed 30.01.2020).

15. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the Open Visualization Tool // Modelling and Simulation Materials Science and Engineering. 2010. Vol. 18. Article 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012

16. Andersen H.C. Molecular dynamics simulations at constant pressure and/or temperature // The Journal of Chemical Physics. 1980. Vol.72. No. 4. P. 2384–2393. https://doi.org/10.1063/1.439486

17. Stukowski A., Albe K. Extracting dislocations and non-dislocation crystal defects from atomistic simulation data // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2010. Vol. 18. No. 8. Article 085001. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/8/085001

18. Stukowski A.,Bulatov V.V.,Arsenlis A. Automated identification and indexing of dislocations in crystal interfaces // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2012. Vol. 20. No.8. Article 085007. https://doi.org/10.1088/0965-0393/20/8/085007

19. Stukowski A. Computational analysis methods in atomistic modeling of crystals // JOM. 2014. Vol. 66. No. 3. P. 399–407. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0827-5

20. Норман Г.Э., Янилкин А.В. Гомогенное зарождение дислокаций// Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 8. С. 1536–1541.

21. Xue L. Constitutive modeling of void shearing effect in ductile fracture of porous materials // Engineering Fracture Mechanics. 2008. Vol. 75. No. 11. P. 3343–3366. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2007.07.022

22. Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Конева Н.А. Скалярная плотность дислокаций и её компоненты, накапливаемые при деформации в малоконцентрированных твердых растворах Cu – Al // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2011. Т. 8. № 1. С. 52–60.

23. Скуратов В.А., Сайфулин М.М., Аралбаева Г.М., О’КоннеллЖ.Г., ван Вуурен А.Д. Повреждение диоксида титана вблизи поверхности после облучения быстрыми тяжелыми ионами // Вестник Карагандинского университета. Физика. 2017. № 1 (85). С. 47–54.

24. Жиляев П.А, Куксин А.Ю., Норман Г.Э., Стариков С.В., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Влияние микроструктуры материала на динамическую пластичность и прочность: молекулярно-динамическое моделирование // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9. № 1. С. 104–109.

25. Kositski R., Steinberger D., Sandfeld S., Mordehai D. Shear relaxation behind the shock front in <110> Molybdenum – From the Atomic Scale to Continuous Dislocation Fields // Computational Materials Science. 2018. Vol. 149. P. 125–133. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.02.058

26. Tang J.F., Xiao J.C., Deng L., Li W., Zhang X.M., Wang L., XiaoS.F., Deng H.Q., Hu W.Y. Shock wave propagation, plasticity, and void collapse in open-cell nanoporous Ta // Physical Chemistry Chemical Physics. 2018. Vol. 20. No. 44. P. 28039–28048. https://doi.org/10.1039/C8CP05126G

27. Старостенков М.Д., Потекаев А.И., Маркидонов А.В., КулагинаВ.В., Гринкевич Л.С. Динамика краевых дислокаций в слабоустойчивом состоянии ГЦК-системы при облучении высокоэнергетическими частицами // Известия вузов. Физика. 2016. Т.59. № 9. С. 105–112.

28. Ackland G.J., Jones A.P. Applications of local crystal structure measures in experiment and simulation // Physical Review B. 2006. Vol.73. No. 5. Article 054104. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.054104

29. Терехов С.В., Лимановский А.И. «Фаза пустоты» и размытый фазовый переход // Физика и техника высоких давлений. 2018. Т. 28. № 3. С. 65–74.

30. Терехов С.В. Размытый фазовый переход в аморфном сплаве Fe40Ni40P14B6: термодинамика фаз и кинетика кристаллизации // Физика и техника высоких давлений. 2019. Т. 29. № 2. С.24–39.