Влияние примесей углерода и кислорода на скорость миграции границ наклона <110> в аустените

Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния примесных атомов углерода и кислорода на скорость миграции границ наклона с осью разориентации <110> в γ-железе, имеющем ГЦК кристаллическую решетку. Получены зависимости энергии рассматриваемых границ и скорости их миграции при температуре 1600 К от угла разориентации. Скорость миграции границ наклона <110> при тех же условиях оказалась на порядок ниже скорости миграции границ <111> и <100>, что, в первую очередь, обусловлено сравнительно низкой энергией границ <110>. Кроме того, малоугловые границы наклона <110> являются уникальными по сравнению с другими границами наклона: зернограничные дислокации в них представляют собой обычные полные краевые дислокации с ровными ядрами, не содержащими периодически расположенных на них изломов, как в границах <111> и <100>. Введение примесных атомов углерода и кислорода приводит к значительному снижению скорости миграции границ зерен. Для примесных атомов углерода и кислорода рассчитаны энергии связи с зернограничными дислокациями в аустените. Полученные значения хорошо коррелируют с зависимостями скорости миграции границ <110> от концентрации примесей. Влияние примесей на миграцию границ в аустените оказалось сильнее, чем в изученных ранее никеле и тем более в серебре, что объясняется сравнительно низким значением электроотрицательности атомов железа по сравнению с никелем и серебром. Более высокое значение энергии связи с дислокациями в аустените и, соответственно, большее влияние на скорость миграции границ зерен были получены для атомов углерода.

1. Gottstein G., Shvindlerman L.S. Grain Boundary Migration in Metals: Thermodynamics, Kinetics, Applications. 2nd Ed. Boca Raton: CRC Press, 2009. 711 p.

2. Balluffi R.W., Cahn J.W. Mechanism for diffusion induced grain boundary migration // Acta Metallurgica. 1981. Vol. 29. No. 3. P. 493–500. https://doi.org/10.1016/0001-6160(81)90073-0

3. Winning M., Rollett A.D., Gottstein G., Srolovitz D.J., Lim A., Shvindlerman L.S. Mobility of low­angle grain boundaries in pure metals // Philosophical Magazine. 2010. Vol. 90. No. 22. P. 3107–3128. https://doi.org/10.1080/14786435.2010.481272

4. Huang Y., Humphreys F.J. Measurements of grain boundary mobility during recrystallization of a single­phase aluminium alloy // Acta Materialia. 1999. Vol. 47. No. 7. P. 2259–2268. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00062-2

5. Huang Y., Humphreys F.J. The effect of solutes on grain boundary mobility during recrystallization and grain growth in some singlephase aluminium alloys // Materials Chemistry and Physics. 2012. Vol. 132. No.1. P. 166–174. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2011.11.018

6. 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. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.02.047

7. 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. https://doi.org/10.1134/S1063776118120087

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

9. Аверин В.В., Ревякин А.В., Федорченко В.И. Азот в металлах. М.: Металлургия, 1976. 224 с.

10. De Castro C.L., Mitchell B.S. Crystal growth kinetics of nanocrystalline aluminum prepared by mechanical attrition in nylon media // Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 396. No. 1­2. P. 124–128. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.01.008

11. Iwanciw J., Podorska D., Wypartowicz J. Simulation of oxygen and nitrogen removal from steel by means of titanium and aluminum // Archives of Metallurgy and Materials. 2011. Vol. 56. No. 3. P. 635–644. https://doi.org/10.2478/v10172-011-0069-x

12. Lücke K., Detert K. A quantitative theory of grain­boundary motion and recrystallization in metals in the presence of impurities // Acta Metallurgica. 1957. Vol. 5. No. 11. P. 628–637. https://doi.org/10.1016/0001-6160(57)90109-8

13. Sursaeva V., Zieba P. Diffusion impurity drag of twin grain boundaries and triple junctions motion in zinc // Defect and Diffusion Forum. 2005. Vol. 237­240. P. 578–583. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.237-240.578

14. 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. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.06.012

15. 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. https://doi.org/10.7868/S0015323013020095

16. 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. https://doi.org/10.1016/0036-9748(74)90146-X

17. Poletaev G.M., Zorya I.V., Rakitin R.Y., Iliina M.A., Starostenkov M.D. Effect of carbon and oxygen impurity atoms on the migration rate of tilt boundaries in fcc metals: A molecular dynamics simulation // Letters on Materials. 2019. Vol. 9. No. 4. P. 391–394. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-4-391-394

18. Li J., Dillon S.J., Rohrer G.S. Relative grain boundary area and energy distributions in nickel // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. No. 14. P. 4304–4311. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.06.004

19. Ratanaphan S., Olmsted D.L., Bulatov V.V., Holm E.A., Rollett A.D., Rohrer G.S. Grain boundary energies in body­centered cubic metals // Acta Materialia. 2015. Vol. 88. P. 346–354. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.069

20. Olmsted D.L., Foiles S.M., Holm E.A. Survey of computed grain boundary properties in face­centered cubic metals: I. Grain boundary energy // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. No. 13. P. 3694–3703. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2009.04.007

21. Bulatov V.V., Reed B.W., Kumar M. Grain boundary energy function for fcc metals // Acta Materialia. 2014. Vol. 65. P. 161–175. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.10.057

22. Tschopp M.A., Coleman Sh.P., McDowell D.L. Symmetric and asymmetric tilt grain boundary structure and energy in Cu and Al (and transferability to other fcc metals) // Integrating Materials and Manufacturing Innovation. 2015. Vol. 4. P. 176–189. https://doi.org/10.1186/s40192-015-0040-1

23. Malyar N.V., Grabowski B., Dehm G., Kirchlechner C. Dislocation slip transmission through a coherent Σ3{111} copper twin boundary: strain rate sensitivity, activation volume and strength distribution function // Acta Materialia. 2018. Vol. 161. P. 412–419. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.045

24. Liang Y., Yang X., Gong M., Liu G., Liu Q., Wang J. Interactions between dislocations and three­dimensional annealing twins in face centered cubic metals // Computational Materials Science. 2019. Vol. 161. P. 371–378. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.02.024

25. Протасова С.Г., Сурсаева В.Г., Швиндлерман Л.С. Исследование движения индивидуальных тройных стыков в алюминии // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 8. С. 1402–1405.

26. Lau T.T., Forst C.J., Lin X., Gale J.D., Yip S., Van Vliet K.J. Manybody potential for point defect clusters in Fe–C alloys // Physical Review Letters. 2007. Vol. 98. Article 215501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.215501

27. Oila A., Bull S.J. Atomistic simulation of Fe–C austenite // Computational Materials Science. 2009. Vol. 45. No. 2. P. 235–239. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.09.013

28. 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. http://dx.doi.org/10.18720/MPM.4242019_2

29. 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. https://doi.org/10.1134/S1063783418050244

30. Poletaev G.M., Zorya I.V. Influence of light impurities on the crystal­melt interface velocity in Ni and Ag. Molecular dynamics simulation // Technical Physics Letters. 2020. Vol. 46. No. 6. P. 575–578. http://dx.doi.org/10.1134/S1063785020060231

31. Ruda M., Farkas D., Garcia G. Atomistic simulations in the Fe–C system // Computational Materials Science. 2009. Vol. 45. No. 2. P. 550–560. http://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.11.020

32. 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. Article 083504. https://doi.org/10.1063/1.2901171