Анотація до роботи:

Філатов О.В. Міграція атомів при ударній деформації ідеальних металевих кристалів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – фізика металів. Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова Національної академії наук України, Київ, 2005.

Ґрунтуючись на результатах фізичного експерименту і комп'ютерного моделювання, в дисертаційній роботі досліджені загальні закономірності масопереносу в умовах різних видів імпульсної обробки, вивчено механізм міграції атомів і його взаємозв'язок з основними закономірностями деформації кристалічних ґрат металу.

Запропоновано критерій для оцінки внеску різних механізмів у процес масопереносу в умовах імпульсного навантаження апроксимацією форми концентраційних профілів функцією C = C₀exp(-aXⁿ). При n~2 основна роль належить механізму випадкових блукань, при n~1 - спрямованому переносу атомів за участю міжвузельних атомів за рахунок дії значної рушійної сили в умовах зовнішніх впливів.

В результаті молекулярно-динамічного моделювання кристалів металів із ГЦК і ОЦК ґратами виявлено, що наявність власного міжвузельного атома викликає утворення області спотворення кристала - кластера, що приводить до зменшення енергії активації самодифузії і визначає низькі значення передекспоненційного множника. При цьому в кристалі з більш щільно пакованими ГЦК ґратами число приналежних кластеру "активованих" атомів приблизно вдвічі перевищує таке для ОЦК кристала. Тому, на відміну від вакансійного механізму, для дифузійного переміщення міжвузельного атома в кристалі з ГЦК структурою потрібна менша енергія активації в порівнянні з ОЦК

Дисертацію присвячено дослідженню атомної природи міграції атомів у металевих кристалах в умовах імпульсної деформації.

Основні результати, отримані в дисертаціїї такі:

1. З використанням методу молекулярної динаміки створена комп'ютерна модель для вивчення поведінки металів на атомному рівні під дією імпульсних навантажень. Показано, що завдання нульових значень початкових швидкостей атомів забезпечує нерухомість кристала з дефектами під час експерименту і дозволяє уникнути процедури по компенсації руху кристала в цілому, забезпечуючи необхідну точність визначення коефіцієнтів самодифузії при наявності міжвузельних атомів.

2. При імпульсних впливах, що супроводжуються пластичною деформацією, збільшення дефектності структури у вихідному стані сповільнює процеси масопереносу атомів. Якщо ж масоперенос при імпульсному впливі відбувається в умовах, коли така деформація відсутня, то зі збільшенням густини дефектів у вихідному стані швидкість масопереносу зростає. Це може бути пов'язане як з характеристиками імпульсного навантаження, протіканням процесів пластичної деформації, так і зі зміною механізму масопереносу.

3. Вперше проаналізований вплив розміру проникаючого атома на його рухливість у міді в умовах імпульсного механічного навантаження. Виявлено, що зі збільшенням розміру атома його рухливість зменшується. Це збігається з літературними даними про аналогічну залежність у ОЦК залізі. Порівняння з даними по дифузії атомів втілення й атомів заміщення свідчить, що міграція атомів заміщення під дією імпульсного впливу має ті ж закономірності, що й у випадку дифузії атомів втілення без імпульсного впливу. Це дає підстави вважати, що під дією імпульсного навантаження міграція атомів заміщення здійснюється за участю міжвузельних атомів, як у металах з ОЦК ґратами, так і з ГЦК.

4. Запропоновано критерій для оцінки внеску різних механізмів у процес масопереносу в умовах імпульсного навантаження апроксимацією форми концентраційних профілів функцією C = C₀exp(-aXⁿ). При n~2 основна роль належить механізму випадкових блукань, при n~1 - спрямованому переносу атомів за участю міжвузельних атомів за рахунок дії значної рушійної сили в умовах зовнішніх впливів.

5. Механізм пластичної деформації нанокристалу металу, що не містить дефектів, в умовах одноосьового імпульсного навантаження полягає в перебудові його кристалічної структури, не пов'язаної з міграцією атомів на відстані, більше періоду ґратки. Установлено, що типовою особливістю нанокристалів металів з кубічними ґратами є ефект різкого падіння (на 70-90%) напруження після початку пластичної деформації. При одноосьовому ударному навантаженні скидання напружень у нанокристалі відбувається внаслідок локалізації пластичної деформації у вузькій області кристала.

6. Процеси пластичної деформації з локальним підвищенням температури в умовах імпульсного впливу починаються поблизу меж зерен, субзерен і поверхні розділу, що можуть бути джерелами утворення міжвузельних атомів і пар Френкеля.

7. В результаті молекулярно-динамічного моделювання кристалів металів із ГЦК і ОЦК ґратами виявлено, що наявність власного міжвузельного атома викликає утворення області спотворення кристала - кластера, що містить до 18 атомів, що приводить до зменшення енергії активації самодифузії і визначає низькі значення передекспоненційного множника. При цьому в кристалі з більш щільно пакованими ГЦК ґратами число приналежних кластеру "активованих" атомів приблизно вдвічі перевищує таке для ОЦК кристала. Тому, на відміну від вакансійного механізму, для дифузійного переміщення міжвузельного атома в кристалі з ГЦК структурою потрібна менша енергія активації в порівнянні з ОЦК.

8. Шляхом комп'ютерного моделювання встановлено, що елементарний дифузійний стрибок атома відбувається за час, що на порядок перевищує період коливань атомів у металі. При цьому максимальна швидкість руху атома складає ~200-400 м/с.

9. Існування зони спотворення кристала навколо власного міжвузельного атома приводить до притягнення до нього інших міжвузельних атомів. Це сприяє стабілізації дефектів, що утворилися при народженні пари Френкеля. Тому в процесі масопереносу при ударному механічному і вибуховому навантаженні можуть брати участь не тільки одиночні міжвузельні атоми, але і їх більш стійкі скупчення.

10. Зниження температури зменшує рухливість міжвузельних атомів. Разом з тим, зменшення температури при імпульсному впливі підвищує напруження в кристалі. Це сприяє росту величини рушійної сили, що викликає спрямоване переміщення атомів. Результуючий вплив температури на масоперенос визначається як результат спільної дії цих процесів.

11. Результати моделювання деформування на нанометровому рівні передбачає збільшення масопереносу в умовах існування високих напружень при відсутності інтенсивних процесів пластичної деформації, що узгоджується з результатами експериментальних досліджень впливу густини дислокацій на масоперенос на макроскопічному рівні. В силу чого, для забезпечення великої глибини масопереносу необхідно забезпечити високий рівень напружень при обмеженій величині пластичної деформації.

Публікації автора:

[1] Johnson R.A. Interstitials and Vacancies in -Iron //Phys.Rev.A.- 1964.- V.134, № 5A. – P. 1329-1336.

[2] Finnis M.W., Sinclair J.E. A simple empirical N-body potential for transition metals // Philosophical Magazine A. - 1984. - V. 50, № 1. - P. 45-55.

[3] Ingle K.W., Perrin R.C., Schober H.R. Interstitial cluster in FCC metals // J. Phys. F: Metal Phys. – 1981.– 11, №6. - P.1161-1173.

[4] Ackland G.J., Tichy G., Vitek V., Finnis M.W. Simple N-body potentials for the noble metals and nickel // Philosophical Magazine A. - 1987. - V.56, №6. - P.735-756.

Монографія:

1. Миронов В.М., Мазанко В.Ф., Герцрикен Д.С., Филатов А.В.. Массоперенос и фазообразование в металлах при импульсных воздействиях. Самара, Самарский ун-т, 2001. - 232 с.

Статті у наукових фахових виданнях:

2. Филатов А.В. О возможных путях реализации процесса массопереноса в ударных волнах // Труды Тульского политехнического института. - 1989. - С. 85-92.

3. Зворыкин Л.О., Лободюк В.А., Румянцев Б.В., Фальченко В.М., Филатов А.В. Особенности массопереноса и структурных изменений в сплавах Co-Ni при прохождении ударных волн // Известия АН СССР. Металлы. - 1991. - №4. - С.158-160

4. Зворыкин Л.О., Румянцев Б.В., Фальченко В.М., Филатов А.В. Влияние шероховатости поверхности на массоперенос в меди под действием ударных волн // Металлофизика. - 1991.- Т. 9, №4. - С.126-128.

5. Дубик А., Зворыкин Л.О., Овсик Я., Фальченко В.М., Филатов А.В. Особенности массопереноса железа и никеля в металлах при прохождении ударных волн, генерированных импульсным излучением // Металлофизика. - 1992.- Т. 14, №1. - С.46-49

6. Зворыкин Л.О., Фальченко В.М., Румянцев Б.В., Филатов А.В. Массоперенос никеля в монокристаллах молибдена при прохождении ударных волн // Металлофизика. - 1993. - Т. 15, №3. - С.97-98.

7. Погорелов А.Е., Филатов А.В. Моделирование динамики нагрева металлов импульсным оптическим квантовым генератором // Металлофизика и новейшие технологии. - 1994. - Т. 16, №8. - С.75-78.

8. Зворыкин Л.О., Фальченко В.М., Филатов А.В. Особенности массопереноса в металлах и сплавах с различной исходной структурой при высокоскоростной деформации // Инженерно-физический журнал. - 1995. - Т. 68, №4. - С.605-611.

9. Вовк А.Я., Филатов А.В. Структура и электрофизические свойства реактивно напыленных тонких пленок хрома // Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т. 17, №7. - С.17-22.

10. Мазанко В.Ф., Ворона С.П., Филатов А.В. Перераспределение атомов в объеме металла в условиях импульсного воздействия //Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т. 17, №9. - С. 74-76.

11. Иванова Н.Д., Болдырев Е.И., Филатов К.В., Филатов А.В. Катодное внедрение лития в продукты неполного электровосстановления ионов меди // Электрохимия. - 1996.- Т. 32, №8. - С. 928 - 931.

12. 3вopыкин Л.O., Филатов А.В. Влияние xapaктepиcтик плоскиx yдapныx волн нa мaccoпepeнoc в мeтaллax // Дoпoвiдi HAH України. - 1997, №2. - С.84-89.

13. Вовк А. Я., Филатов А. В. Рентгенографическое исследование фазового состава тонких реактивно напыленных пленок хрома // Металлофизика и новейшие технологии. – 1998. – Т. 20, № 1. – С. 17-20.

14. Филатов А.В. Моделирование микрокристалла меди методом частиц при нагреве и охлаждении // Вісник Черкаського університету. Серія “Фізико-математичні науки”. - 1999. - С. 97-101.

15. Кучук-Яценко С. И., Харченко Г. К., Фальченко Ю.В., Григоренко С. Г., Мазанко В. Ф., Филатов А.В. О неоднородности массопереноса в зоне соединения при ударной сварке стали в вакууме // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000.- Т. 22, №10. - С. 63-66

16. Мазанко В. Ф., Филатов А. В., Иващенко Е. В., Миронов В. М. Влияние упругих волн на диффузию углерода в железе и его сплавах // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000.- Т. 22, №11. - С.54-57.

17. Мазанко В. Ф., Філатов О. В., Іващенко Є. В., Міронов В. М. Рухливість атомів заміщення в металах під дією пружних хвиль // Доповіді НАН України 2000.- №8. - С.77-78.

18. Mazanko V.F., Mironova T.F., Mironov V.M., Filatov A.V. Main trends in mass transfer of nickel in iron and copper under pulse effect // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002.- Т. 24, №2. - С. 181-187.

19. Немошкаленко В. В., Арсенюк В. В., Мазанко В. Ф., Миронов В. М., Филатов А.В. Общие закономерности массопереноса при различных видах импульсного нагружения // Доповіді НАН України. - 2002.- №10. - С.76-79.

20. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Филатов А. В., Овсянников А. В. Деформация и разрушение нанокристаллов ОЦК металлов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. 2004. - Т. 2, вип.1. - С.227- 243.

21. А. В. Филатов. Образование межузельных атомов в металлах в условиях импульсного сжатия // Доповіді НАН України. - 2004.- №9. - С.80-82.

22. Филатов А.В. Влияние типа кристаллической решетки на диффузионную подвижность междоузельных атомов // Вісник Черкаського Університету. Серія "Фізико-математичні науки". - Вип. 62, 2004. - С. 100-109.

23. Котречко С. А., Мешков Ю. Я., Филатов А. В., Овсянников А. В. Моделирование деформирования и разрушения нанокристаллов ОЦК-металлов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004.- 26, №6. - С.841-850.

24. Котречко С. А., Филатов А. В., Овсянников А. В. Особенности пластической деформации нанокристаллов молибдена // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004.- 26, №11. - С.1475-1482.

25. Миронова Т.Ф., Миронов В.М., Мазанко В.Ф. Филатов А.В. Массоперенос в титане и сплавах железо-титан в условиях обработки упругими волнами // В сб.: Энергосберегающие технологии механизации сельского хозяйства. Самара, - 1998. - С. 117-122.