Effect of carbon and oxygen impurity atoms on the migration rate of triple junctions of tilt boundaries in FCC metals.pdf Введение Тройной стык границ зерен представляет собой линейный дефект, вдоль которого сопрягаются три межзеренные границы. Классические теории роста зерна в обычных крупнозернистых поликристаллах, как правило, предполагают, что тройные стыки обладают бесконечной подвижностью и рост зерна реализуется посредством миграции границ зерен [1]. Однако эксперименты [2, 3] и результаты компьютерного моделирования роста зерен [4, 5] показали, что подвижность тройных стыков границ зерен является конечной величиной. Конечная подвижность связана с тем, что перемещение тройного стыка сопровождается трансформациями дефектной структуры на границах зерен в области стыка. Работы [2-5] внесли существенный вклад в развитие представлений о подвижности тройных стыков границ зерен в металлах. Тем не менее в настоящее время остается ряд открытых вопросов. В первую очередь, это накопление численных данных, связанных со структурными и энергетическими характеристиками миграции тройных стыков для разных металлов в зависимости от различных внешних и внутренних факторов, определение влияния на подвижность стыков примесей, дефектов кристаллической решетки, свободного объема. Ранее авторами [6, 7] было проведено исследование атомного механизма миграции границ наклона с осями разориентации и , а также их тройных стыков с помощью метода молекулярной динамики. Было показано, что миграция и удлинение малоугловой границы осуществляется посредством расщепления парных зернограничных дислокаций с последующей сменой дислокаций-партнеров. Смена дислокаций-партнеров происходит за счет скольжения расщепленных дислокаций. Миграция границы наклона осуществляется путем комбинированного действия двух механизмов: описанного выше механизма и механизма, заключающегося в совместном скольжении парных зернограничных дислокаций, которые, в отличие от зернограничных дислокаций в границах , имеют общие плоскости скольжения. Совместное скольжение парных дислокаций имеет сравнительно низкую энергию активации, вследствие чего границы наклона гораздо подвижнее границ . В работе [8] рассмотрено влияние примеси водорода на миграционную подвижность границ наклона в палладии. Было показано, что наличие примесных атомов водорода приводит к замедлению миграции границ зерен. Настоящая работа посвящена исследованию влияния примесных атомов углерода и кислорода на скорость миграции тройных стыков границ наклона в ГЦК-металлах Ni, Ag, Al. Этот набор из трех металлов уникален тем, что два из них имеют почти одинаковые радиусы атомов, тогда как другие два - почти одинаковые значения электроотрицательности. Радиусы атомов следующие: Al - 1.43 Å, Ag - 1.44 Å, Ni - 1.24 Å [9]; электроотрицательности (шкала Полинга): Al - 1.61, Ag - 1.93, Ni - 1.91 [10]. Описание модели В работе за основу была взята конфигурация тройного стыка и модель его миграции, предложенная и развитая в [2-5]. В [4, 5] использовалась двумерная молекулярно-динамическая модель, однако относительно механизма миграции границ зерен, особенно малоугловых, двумерная и трехмерная модели имеют принципиальное отличие. В двумерной модели зернограничные краевые дислокации не имеют периодически расположенных вдоль ядер дислокаций порогов, которые играют важную роль в зернограничных процессах, особенно диффузии. Поэтому было принято решение создать трехмерную расчетную ячейку в молекулярно-динамической модели в виде пластины толщиной в шесть атомных плоскостей (рис. 1). Этой толщины достаточно для появления эффектов, связанных с изломами зернограничных дислокаций. Расчетная ячейка содержала примерно 50000 атомов и имела высоту 25.9 нм, ширину 17.2 нм и толщину 1.2 нм. Вдоль оси Z (рис. 1) имитировалось бесконечное повторение структуры, т.е. были наложены периодические граничные условия. На краю расчетной ячейки границы зерен должны быть зафиксированы, что подразумевает сохранение ориентации кристаллической решетки трех разных зерен на границе ячейки. В связи с этим по осям X и Y границы ячейки были жестко закреплены для фиксации заданной разориентации зерен. Рис. 1. Расчетная ячейка для моделирования миграции тройного стыка. Темно-серые атомы на краю расчетной ячейки в процессе компьютерного эксперимента оставались неподвижными (жесткие граничные условия) Сила, приводящая к миграции стыка, создается за счет поверхностного натяжения границ 1 и 2, которые, «натягиваясь», тянут вниз границу 3, в результате чего увеличивается ее длина, а длины границ 1 и 2 сокращаются (рис. 1). Рассматривались различные сочетания углов разориентации зерен, но большинство результатов было получено для стыков с углами разориентации θ1 = 30°, θ2 = 20°, θ3 = 10°. Тройные стыки границ наклона с указанными углами разориентации обладают сравнительно высокой подвижностью, что позволяет исследовать их миграцию с помощью метода молекулярной динамики. Взаимодействия атомов металла друг с другом описывались многочастичными потенциалами Клери - Розато [11], построенными в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов примесей легких элементов с атомами металла и атомов примесей друг с другом использовались парные потенциалы Морзе [12]. Оба потенциала хорошо зарекомендовали себя в ряде расчетов, выполненных методом молекулярной динамики [13-15]. Параметры потенциалов для описания взаимодействий примесных атомов C и O с атомами рассматриваемых металлов были взяты из [12], где они были найдены с учетом эмпирических зависимостей и известных характеристик, таких, как температура плавления или разложения соответствующего химического соединения металла с легким элементом, энергия активации диффузии примесного атома в кристаллической решетке металла. Для описания взаимодействий атомов примеси друг с другом в металлах в [12] за основу были взяты потенциалы, предложенные другими авторами. Для связи С-С парный потенциал из [16] был трансформирован в потенциал Морзе. Для связи O-O был взят потенциал из работы [17]. Примесные атомы вводились в расчетную ячейку, содержащую тройной стык, случайно в октаэдрические пустоты. Как известно, примесные атомы легких элементов, таких, как углерод и кислород, располагаются в ГЦК-решетке металлов в октаэдрических пустотах [9]. Моделирование миграции тройных стыков проводилось при температуре 0.95∙Тпл, где Тпл - температура плавления. Выбор температуры, почти равной температуре плавления, обусловлен тем, что при данной температуре наблюдается наибольшая скорость миграции тройного стыка. Результаты и их обсуждение Введение примесных атомов углерода и кислорода приводило к существенному торможению миграции тройных стыков, что, очевидно, обусловлено высокими значениями энергии связи примесных атомов с границами зерен. Для малоугловых границ энергия связи близка к энергии связи примесных атомов с дислокациями. В [18, 19], например, были получены значения энергии связи атома углерода с дислокацией в железе в интервале 0.4-0.7 эВ, в [20] для атомов кислорода в цирконии - 0.5 эВ. Границы зерен, как и отдельные дислокации, собирают вокруг себя атмосферы примесей, подобные атмосфере Коттрела [21]. Миграционная подвижность границ в этом случае значительно снижается, поскольку, как и в случае дислокаций, требуется дополнительная энергия для отрыва границы от атмосферы. Атомы углерода при сравнительно высокой их концентрации в металле (более 5 %) в процессе компьютерного эксперимента стремились образовывать агрегаты, которые преимущественно концентрировались на границах зерен (рис. 2, а). Данные агрегаты оказались эффективными стопорами для движущихся границ - их образование приводило к снижению скорости миграции границ и всего тройного стыка на один-два порядка. Рис. 2. Образование агрегатов атомов углерода (а) и «разрыхление» границ зерен из-за наличия примесных атомов кислорода (б) в Ni при моделировании миграции тройного стыка границ наклона 30°/20°/10°. Примесные атомы черные, атомы металла - серые Атомы кислорода отталкиваются друг от друга в металле, в отличие от атомов углерода, которые стремятся образовать связи [12]. Атомы кислорода не образовывали агрегаты при моделировании миграции тройного стыка, но из-за высоких значений энергии связи с границами зерен также эффективно тормозили их миграцию. В случае примеси кислорода наблюдался другой эффект - разрыхление и увеличение ширины границы (рис. 2, б). Происходило дополнительное разупорядочение структуры, в некоторых случаях даже с образованием аморфной области позади мигрирующей границы. Присутствие атомов кислорода, по всей видимости, приводит к затруднению формирования кристаллической структуры позади мигрирующей большеугловой границы. На рис. 3 приведены зависимости скорости миграции тройного стыка 30°/20°/10° при температуре 0.95∙Тпл от концентрации примесных атомов. Как видно по приведенным графикам, скорости миграции тройного стыка 30°/20°/10° в чистых металлах Ni, Ag и Al имеют близкие значения при разных температурах (1640, 1173 и 887 К соответственно), но при одинаковом соотношении с температурой плавления металла - 0.95∙Тпл. Подобная связь различных активационных процессов с температурой плавления металла неоднократно отмечалась различными авторами. Рис. 3. Зависимость скорости миграции тройного стыка 30°/20°/10° при температуре 0.95∙Тпл от концентрации примесных атомов С и О: а) в Ni; б) в Ag; в) в Al Примесные атомы углерода и кислорода, как видно из рис. 3, сильно тормозят миграцию тройного стыка - при введении 5 % почти на порядок, 10 % - на два порядка. Причем для Al при концентрациях атомов углерода выше 5 % измерить скорость движения тройного стыка не удалось - даже в течение сравнительно длительных компьютерных экспериментов (несколько наносекунд) тройной стык оставался на месте. Влияние примесей на миграцию тройного стыка в Ag получилось наименьшим по сравнению с Ni и Al, что, как оказалось, хорошо коррелирует со значениями энергии связи примесных атомов с краевыми зернограничными дислокациями (таблица). Энергия связи примесного атома с краевой зернограничной дислокацией (эВ) Примесный атом Ni Ag Al С 0.77 0.30 1.34 О 0.62 0.10 0.44 Энергия связи примесного атома с зернограничной дислокацией в настоящей работе рассчитывалась как разность потенциальной энергии расчетной ячейки, содержащей малоугловую границу наклона и атом примеси в октаэдрической поре на таком расстоянии друг от друга, которое исключает взаимодействие дислокаций и примесного атома, и потенциальной энергии расчетной ячейки, содержащей атом примеси в ядре дислокации. В обоих случаях перед расчетом энергии расчетной ячейки проводилась релаксация структуры, после которой расчетный блок охлаждался до 0 К. Позиция примесного атома в ядре дислокации подбиралась такой, при которой энергия связи получалась наибольшей, то есть выбиралась энергетически наиболее выгодная позиция примеси в дислокации. Заключение Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния примесных атомов углерода и кислорода на скорость миграции тройных стыков границ наклона с осью разориентации в трех ГЦК-металлах: Ni, Ag, Al. Показано, что введение примесных атомов легких элементов приводит к существенному торможению миграции тройных стыков. Атомы углерода стремятся образовывать агрегаты, которые, закрепляясь на границах зерен, становятся эффективными стопорами, препятствующими перемещению границ. Атомы кислорода не образуют агрегаты, но из-за высоких значений энергии связи с границами также эффективно тормозят их миграцию. В отличие от образования атомами углерода агрегатов, в случае примеси кислорода имеет место другой эффект - «разрыхление» и увеличение ширины мигрирующих границ. Для примесных атомов углерода и кислорода рассчитаны энергии связи с зернограничными краевыми дислокациями в рассматриваемых металлах. Полученные значения хорошо коррелируют с зависимостями скорости миграции тройных стыков от концентрации примесей: наибольший эффект примесей на скорость миграции стыка и соответствующее значение энергии связи были получены для системы Al-C, наименьшие - для Ag-O.

Скачать электронную версию публикации