Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2022,  том 19,  №1, 50-57

 

Геннадий Михайлович Полетаев1†, Ирина Владимировна Каракулова2, Денис Игоревич Зюзин3, Екатерина Сергеевна Осипова4

Молекулярно-динамическое исследование влияния избыточного свободного объема на скорость движения фронта кристаллизации в никеле

1,2,3,4 Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, пр. Ленина, 46, 656038, Барнаул, Россия
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-5252-2455
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0003-2075-0557
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
4 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Методом молекулярной динамики проведено исследование зависимости скорости движения фронта кристаллизации в никеле от избыточного свободного объема. Расчетные ячейки имели форму вытянутых параллелепипедов. На торцах параллелепипеда кристаллическая структура была зафиксирована, что имитировало стартовое положение фронта гетерогенной кристаллизации. Рассматривались три разные ориентации фронта относительно растущего кристалла: (100), (110) и (111). Для описания межатомных взаимодействий использовался многочастичный потенциал Клери-Росато, построенный в приближении сильной связи. Свободный объем вводился в модели на начальном этапе путем задания определенной концентрации вакансий. Концентрирование избыточного свободного объема и формирование вакансионных кластеров происходило преимущественно в последнюю очередь, на заключительной стадии кристаллизации. Введение избыточного свободного объема приводило к снижению скорости кристаллизации. С одной стороны, наличие избыточного свободного объема должно приводить к снижению энергии активации самодиффузии, но, с другой стороны, по всей видимости, формирование микропор и вакансионных кластеров происходило вблизи границы растущего кристалла, вследствие чего снижался доступ атомов со стороны жидкой фазы к границе кристалла. При высоких концентрациях, составляющих несколько процентов, формирование части кластеров происходило уже на ранних стадиях роста кристалла, но большая их часть, тем не менее, располагалась в месте встречи двух фронтов от разных торцов расчетной ячейки. Быстрее кристаллизация протекала при ориентации фронта (100), медленнее – при ориентациях (110) и (111). Анизотропия скорости кристаллизации связана с разностью свободных энергий атома вблизи границы в жидкой фазе и «встроенного» в границу растущего кристалла, которая зависит от ориентации границы и, в частности, коррелирует с энергией адатома на соответствующей свободной поверхности кристалла.

Ключевые слова: молекулярная динамика, металл, кристаллизация, свободный объем.

УДК 538.911

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2022.01.006


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 19, No.1 (2022) 50-57

 

Gennady M. Poletaev1†, Irina V. Karakulova2, Denis I. Ziuzin3, Ekaterina S. Osipova4

Molecular dynamics study of the effect of excess free volume on the velocity of the crystallization front movement in nickel

1,2,3,4 I.I. Polzunov Altai State Technical University, Lenin Pr., 46, Barnaul, 656038, Russia
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript https://orcid.org/0000-0002-5252-2455
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript https://orcid.org/0000-0003-2075-0557
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
4 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

The method of molecular dynamics was used to study the dependence of the velocity of the crystallization front in nickel on the excess free volume. The computational cells had the shape of elongated parallelepipeds. At the ends of the parallelepiped, the crystal structure was fixed, which imitated the starting position of the heterogeneous crystallization front. Three different orientations of the front relative to the growing crystal were considered: (100), (110), and (111). To describe interatomic interactions, many-particle tight-binding Cleri-Rosato potential was used. The free volume was introduced into the model at the initial stage by setting a certain concentration of vacancies. The concentration of the excess free volume and the formation of vacancy clusters occurred mainly last, at the final stage of crystallization. The introduction of excess free volume led to a decrease in the crystallization rate. On the one hand, the presence of an excess free volume should lead to a decrease in the activation energy of self-diffusion, but, on the other hand, it seems that the formation of micropores and vacancy clusters occurred near the growing crystal boundary, which reduced the access of atoms from the liquid phase to the crystal boundary. At high concentrations of several percent, the formation of some clusters occurred already at the early stages of crystal growth, but most of them, nevertheless, were located at the meeting point of two fronts from different ends of the computational cell. Crystallization proceeded faster at the (100) front orientation, slower at the (110) and (111) orientations. The anisotropy of the crystallization rate is related to the difference between the free energies of an atom near the boundary in the liquid phase and a growing crystal "embedded" into the boundary, which depends on the orientation of the boundary and, in particular, correlates with the energy of the adatom on the corresponding free surface of the crystal.

Keywords: molecular dynamics, metal, crystallization, free volume.