А.Ю. Никонов, А.И. Дмитриев, С.Г. Псахье

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДИНАМИКУ ГРАНИЦЫ ЗЁРЕН ПРИ СДВИГОВОЙ
ДЕФОРМАЦИИ
А.Ю. Никонов, А.И. Дмитриев, С.Г. Псахье
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
634055, г. Томск, Россия
В рамках физической мезомеханики границы зёрен в деформированном поликристалле являются самостоятельными мезоскопическим уровнем развития пластической
деформации. В частности сдвиг в такой среде сопровождается развитием деформации как
внутри зёрен, так и на их границах. В работе [1] показано, что при определённых условиях внешнего воздействия возможно перемещение границы зёрен в направлении, перпендикулярном приложенному нагружению. Изменение положения границы приводит к росту одного из зёрен за счёт атомов другого. Было отмечено, что данное явление наблюдается при особых условиях (низкая температура образца, симметричные границы зёрен
специального типа, выделенное направление сдвиговой деформации). Очевидно, что в
реальных условиях поведение границы зёрен в условиях сдвиговой деформации может
существенно отличаться. Целью данной работы было исследовать в рамках метода молекулярной динамики влияние температуры образца на особенности зернограничного проскальзывания в условиях сдвигового нагружения.
Исследования проводились в рамках метода классической молекулярной динамики
с использованием программного пакета LAMMPS [2]. Моделируемый образец представлял собой бикристалл меди, состоящий из двух зёрен в форме прямоугольных фрагментов и содержащий плоский дефект структуры типа высокоугловая граница зёрен Σ =
5(210)[001]. Для моделирования границы зёрен специального типа использовался алгоритм, описанный в [3]. Суть подхода заключается в следующем. Зерно ориентируется в
пространстве таким образом, чтобы внешние оси X, Y и Z соответствовали кристаллографическим направлениям [210], [1̅20] и [001], соответственно. Второе зерно является зеркальным отражением первого относительно плоскости XoZ, которая и становится плоскостью дефекта. Исходная структура образца показана на рис. 1. Сдвиговая деформация
Рис. 1. Проекция атомов образца содержащего границу типа Σ = 5 на плоскость XoY.
 А.Ю. Никонов, А.И. Дмитриев, С.Г. Псахье, 2013
1
образца моделировалось путём задания постоянных значений Vх компонент скоростей
атомам, попадающим во внешние (по отношению к дефекту) приповерхностные слои.
Модуль скорости движения атомов достигал 20 м/с, а её направление отличалось для
атомов из противоположных нагружаемых слоёв. Таким образом, результирующая скорость сдвиговой деформации составляла 40 м/с. Толщина нагружаемых слоёв соответствовала двум радиусам обрезания межатомного потенциала, который описывался в рамках метода погруженного атома. Выбор потенциала обусловлен возможностью описывать с высокой точностью энергетические параметры дефектов структуры, упругие и поверхностные свойства моделируемого образца. Вдоль плоскости границы зёрен (направления Х и Z) моделировались периодические граничные условия. Расстояние между
нагружаемыми слоями и границей зёрен составляло более 50 параметров решётки.
Моделируемый кристаллит исследовался в интервале температур от 0 K до 1300 K.
Для сравнения выполненная ранее оценка температуры плавления бездефектного кристаллита меди с тем же потенциалом взаимодействия показала значение ≈1350 K. Выбранная температура задавалась с использованием алгоритма масштабирования скоростей атомов исходя из равенства энергий
𝑁
3
𝑚𝑉𝑖2
𝑁𝑘𝑇 = ∑
,
2
2
𝑖
где i – номера атомов. В начальный момент времени задавалось случайное распределение
скоростей атомов, а их корректировка проводилась в точках минимума потенциальной
энергии. Моделируемый образец рассматривался как NVE ансамбль, в котором сохраняется число частиц N, занимаемый объём V и энергия системы E.
Результаты моделирования показали, что по характеру отклика моделируемого кристаллита на внешнюю сдвиговую нагрузку можно выделить три стадии. На первой стадии, при начальных температурах до ~500 K, поведение исследуемой границы зёрен полностью идентично тому, как отмечалось в работе [1]. А именно, в условиях сдвиговой
деформации наряду с относительным проскальзыванием взаимодействующих зёрен
наблюдается перемещение положения границы в направлении, перпендикулярном приложенному внешнему воздействию. Происходит достраивание атомных слоёв одного из
зёрен, за счёт вовлечения атомов, контактирующих с плоскостью границы, исходно принадлежащим противоположному зерну. Скорость такого перемещения границы в указанном интервале температур остаётся приблизительно неизменной и в 1,5 раза превосходит
относительную скорость смещения нагружаемых слоёв. Результирующие смещения границы в направлении Y составляют 10,43 нм и 10,38 нм в начале и в конце рассматриваемого интервала температур, соответственно. Следует, однако, отметить, что с ростом
температуры наблюдаются незначительные изменения структуры в плоскости дефекта,
но это не отражается в целом на динамике процесса.
В диапазоне температур от ~500 K до ~700 K скорость перемещения границы в
направлении, перпендикулярном приложенному сдвиговому нагружению, а, следовательно, и результирующая величина смещения границы зёрен в направлении оси Y резко
уменьшаются. Так, при температуре 600 K результирующее смещение плоского дефекта
на том же временном интервале уменьшилось до 6,57 нм. А при повышении температуры
до 700 K результирующее смещение границы составляет всего 4,21 нм. При этом рассчитанная скорость движения границы падает практически в 3 раза с 58 м/с до 23 м/с.
При температурах свыше ~700 K динамика поведения границы меняется. Скорость
изменения величины перемещения с ростом температуры уменьшается, а результирующее смещение положения дефекта в направлении оси Y за рассматриваемый интервал
времени достигает минимума вблизи значения 1.3 нм.
2
Рис. 2. Смещение границы зёрен в зависимости от температуры образца меди (1), никеля (2), серебра (3), алюминия (4).
Для выявления общности обнаруженной температурной зависимости поведения
межзеренной границы при сдвиговой деформации были проведены аналогичные исследования для ряда других ГЦК металлов. Образцы исследовались в интервале температур
от 0 К до 0,8-0,9 Тплав. На рис. 2 показана зависимость величины смещения границы зёрен
от начальной температуры образца. Из рисунка видно, что все образцы ведут себя схожим образом, а именно можно выделить три стадии отклика границы на внешнее воздействие в зависимости от температуры системы. Так, при определённой температуре в интервале от 0,45 до 0.6 Тплав наблюдается резкое уменьшение величины сдвига границы
зёрен.
Результаты, полученные в работе, помогают понять особенности развития пластической деформации в поликристаллах в условиях сдвигового нагружения. Обнаруженное
поведение границ зёрен может влиять на изменение микроструктуры материала, и, соответственно, на его свойства и поведение под нагрузкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дмитриев А.И., Никонов А.Ю., Псахье С.Г. Атомистический механизм зернограничного проскальзывания
на примере большеугловой границы S = 5. Молекулярно-динамический расчет // Физ. мезомех. - 2010. - Т.
13. - № 4. - С. 15-24.
2. Plimpton, S.J. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // J. Comp. Phys., 1995. V. 117, P. 1–
19.
3. Suzuki A., Mishin Y. Atomistic modeling of point defects and diffusion in copper grain boundaries // Interface Sci,
2003. V. 11, No 1. P. 131–148.
3