Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2019,  том 16,  №3, 349-354

 

А.В. Маркидонов1,2, В.В. Коваленко1, М.Д. Старостенков3

Компьютерное моделирование процесса укрупнения зерен ГЦК кристаллов при внешних энергетических воздействиях

1Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007, Новокузнецк, Россия
2Новокузнецкий институт (филиал) Кемеровского государственного университета, ул. Циолковского, 23, 654041, Новокузнецк, Россия
3Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, пр. Ленина, 46, 656038, Барнаул, Россия

Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Данная статья посвящена исследованию методом молекулярной динамики атомных механизмов укрупнения зерен кристаллов с ГЦК решеткой, осуществляемых путем миграции межзеренных границ, инициированной ударными послекаскадными волнами. Возникновение данных волн обусловлено воздействием на поверхность твердого тела высокоэнергетическими частицами. Моделирование проводилось с помощью пакета XMD. Межчастичное взаимодействие описывалось с помощью потенциала, построенного с применением метода погруженного атома, базирующегося на квантовомеханической теории функционала электронной плотности. Рассматривались модели кристаллов, содержащих границы зерен наклона, кручения и смешанного типа. Проведенное исследование показало, что инициированный ударными волнами рост зерен наблюдается при создании в расчетной ячейке деформации растяжения. В случае наличия границы зерен кручения миграция границы осуществляется по двум основным механизмам, каждый из которых становиться доминирующим при определенных углах разориентации зерен. Первый, характерный для малоугловых границ, заключается в кооперативных атомных смещениях по кольцевым траекториям вдоль зернограничных дислокаций, приводящим к повороту атомной плоскости одного из зерен. Второй механизм, наблюдаемый при большеугловых границах, заключается в локальной аморфизации структуры первого зерна с последующей кристаллизацией на втором зерне. При рассмотрении границы зерен наклона миграция наблюдается в случае зарождения поры при локализации избыточного свободного объема в межзеренной области. Поэтому для упрощения реализации данного механизма при моделировании в одно из зерен вводились вакансии. Отличительной чертой механизма миграции границы зерен наклона под воздействием ударных волн является возможность его реализации при температурах, недостаточных для активации диффузионных процессов. Миграция границы зерен смешанного типа осуществляется по механизмам, характерным как для границы зерен наклона так и кручения.

Ключевые слова: моделирование, зерно, граница, миграция, волна, деформация.

УДК 538.911

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2019.03.010


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 16, No.3 (2019) 349-354

 

A.V. Markidonov1,2, V.V. Kovalenko1, M.D. Starostenkov3

Computer simulation of the enlargement of grains of fcc crystals under external energy influences

1Siberian State Industrial University, Kirov Str., 42, Novokuznetsk, 654007, Russia
2Novokusnetsk Branch-Institute of Kemerovo State University, Tsiolkovskii Str., 23, Novokuznetsk, 654041, Russia
3I.I. Polzunov Altai State Technical University, Lenin Pr., 46, Barnaul, 656038, Russia

This article is devoted to the study by molecular dynamics of the atomic mechanisms of the enlargement of crystal grains with an fcc lattice, carried out by the migration of grain boundaries initiated by shock after-cascade waves. The occurrence of these waves is due to the action on the surface of a solid by high-energy particles. Modeling was carried out using the XMD package. Interparticle interaction was described using a potential constructed using the immersed atom method, based on the quantum mechanical theory of the electron density functional. Models of crystals containing grain boundaries of tilt, torsion, and mixed type were considered. The study showed that grain growth initiated by shock waves is observed when tensile strain is created in the calculated cell. In the case of the boundary of torsion grains, the migration of the boundary is carried out according to two main mechanisms, each of which becomes dominant at certain angles of grain disorientation. The first, characteristic of small-angle boundaries, consists in cooperative atomic displacements along annular trajectories along grain-boundary dislocations, leading to a rotation of the atomic plane of one of the grains. The second mechanism observed at high-angle boundaries is local amorphization of the structure of the first grain, followed by crystallization on the second grain. When considering the grain boundary of the slope, migration is observed in the case of pore nucleation upon localization of the excess free volume in the intergranular region. Therefore, to simplify the implementation of this mechanism during modeling, vacancies were introduced into one of the grains. A distinctive feature of the mechanism of migration of the grain boundary of the slope under the influence of shock waves is the possibility of its implementation at temperatures insufficient to activate diffusion processes. Mixed grain boundary migration is carried out by mechanisms characteristic of both the grain boundary of tilt and torsion.

Keywords: modeling, grain, border, migration, wave, deformation.