Энергия и скорость скольжения краевой и винтовой дислокаций в аустените и стали Гадфильда: молекулярно-динамическое моделирование

Методом молекулярной динамики проведено исследование скольжения краевой и винтовой дислокаций в стали Гадфильда и в чистом ГЦК железе (аустените) в зависимости от температуры и скорости деформирования. Полная дислокация появляется в настоящей модели сразу в виде расщепленной на пару частичных дислокаций Шокли, разделенных дефектом упаковки. Расстояние между частичными дислокациями составляет несколько нанометров. При увеличении скорости сдвига это расстояние уменьшается. Согласно полученным данным энергии краевой и винтовой дислокаций в стали выше, чем в чистом аустените. Энергия полной краевой дислокации в γ-железе и в стали Гадфильда составляет в среднем 2,0 и 2,3 эВ/Å, винтовой – 1,3 и 1,5 эВ/Å соответственно. Получены зависимости скорости скольжения краевой и винтовой дислокаций в зависимости от скорости сдвига и температуры. Скорость скольжения краевой дислокации во всех случаях выше, чем винтовой, что объясняется отличием скорости распространения продольной и поперечной волн в материале. С ростом скорости сдвига скорость скольжения возрастает до определенного предела, зависящего от скорости распространения соответствующих упругих волн. При низких и нормальных температурах скорость скольжения дислокаций в стали Гадфильда существенно (примерно в полтора раза) ниже по сравнению с чистым ГЦК железом. В чистом железе с ростом температуры скорость скольжения дислокаций уменьшается. Однако для стали Гадфильда эта зависимость немонотонна: по мере увеличения температуры примерно до 500 К скорость дислокаций возрастает (что связано связано, по всей видимости, с интенсификацией диффузии примесных атомов углерода), а затем, как и в железе, падает.

1. Chen C., Meng F., Ou P., Lan G., Li B., Chen H., Qiu Q., Song J. Effect of indium doping on motions of <a>-prismatic edge dislocations in wurtzite gallium nitride // Journal of Physics: Condensed Matter. 2019. Vol. 31. No. 31. Article 315701. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab1bf3

2. Olmsted D.L., Hector Jr. L.G., Curtin W.A., Clifton R.J. Atomistic simulations of dislocation mobility in Al, Ni and Al/Mg alloys // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2005. Vol. 13. No. 3. P. 371–388. https://doi.org/10.1088/0965-0393/13/3/007

3. Zhao S., Osetsky Y.N., Zhang Y. Atomic-scale dynamics of edge dislocations in Ni and concentrated solid solution NiFe alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 701. P. 1003–1008. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.01.165

4. Rodney D., Ventelon L., Clouet E., Pizzagalli L., Willaime F. Ab initio modeling of dislocation core properties in metals and semiconductors // Acta Materialia. 2017. Vol. 124. P. 633–659. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.09.049

5. Hunter A., Beyerlein I.J., Germann T.C., Koslowski M. Influence of the stacking fault energy surface on partial dislocations in fcc metals with a three-dimensional phase field dislocations dynamics model // Physical Review B. 2011. Vol. 84. Article 144108. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.144108

6. Po G., Cui Y., Rivera D., Cereceda D., Swinburne T.D., Marian J., Ghoniem N. A phenomenological dislocation mobility law for bcc metals // Acta Materialia. 2016. Vol. 119. P. 123–135. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.016

7. Фридель Ж. Дислокации. Москва: Мир, 1967. 660 с.

8. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. Москва: Атомиздат, 1972. 600 с.

9. Zhang F.C., Lv B., Wang T.S., Zheng C.L., Zhang M., Luo H.H., Liu H., Xu A.Y. Explosion hardening of Hadfield steel crossing // Materials Science and Technology. 2010. Vol. 26. No. 2. P. 223‒229. https://doi.org/10.1179/174328408X363263

10. Chen C., Lv B., Ma H., Sun D., Zhang F. Wear behavior and the corresponding work hardening characteristics of Hadfield steel // Tribology International. 2018. Vol. 121. P. 389‒399. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.01.044

11. Lau T.T., Forst C.J., Lin X., Gale J.D., Yip S., Van Vliet K.J. Many-body 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

12. 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

13. Poletaev G.M., Rakitin R.Y. Molecular dynamics study of stress-strain curves for γ-Fe and Hadfield steel ideal crystals at shear along the <111> direction // Materials Physics and Mechanics. 2021. Vol. 47. No. 2. P. 237–244. https://doi.org/10.18149/MPM.4722021_6

14. Massardier V., Le Patezour E., Soler M., Merlin J. Mn-C interaction in Fe-C-Mn steels: study by thermoelectric power and internal friction // Metallurgical and Materials Transactions A. 2005. Vol. 36. P. 1745–1755. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0039-x

15. Slane J.A., Wolverton C., Gibala R. Carbon–vacancy interactions in austenitic alloys // Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 370. No. 1-2. P. 67–72. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.08.073

16. Poletaev G.M., Zorya I.V., Starostenkov M.D. Role of point defects in self-diffusion along low-angle twist boundaries in fcc metals: A molecular dynamics study // Journal of Micromechanics and Molecular Physics. 2018. Vol. 3. No. 1&2. Article 1850001. https://doi.org/10.1142/S2424913018500017

17. Poletaev G.M. Self-diffusion in liquid and solid alloys of the Ti–Al system: molecular-dynamics simulation // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2021. Vol. 133. No. 4. P. 455–460. https://doi.org/10.1134/S1063776121090041

18. 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. https://doi.org/10.1134/S106378340904012X

19. Cahn R.W., Haasen P. Physical Metallurgy. 4th ed. Amsterdam: North-Holland Physics Publishing, 1996. 2740 p.

20. Zhou X.W., Sills R.B., Ward D.K., Karnesky R.A. Atomistic calculations of dislocation core energy in aluminium // Physical Review B. 2017. Vol. 95. Article 054112. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.054112

21. 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

22. 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