Моделирование сегрегационных процессов в поверхностных слоях аморфных сплавов металл-металлоид при деформационном и низкотемпературном воздействиях

Актуальность темы

.

Поверхностная сегрегация напротяжении нескольких десятилетий является актуальной темой научных исследований, так как она определяет многие свойства материалов, зависящие от химического состава поверхности.

Различают равновесные и неравновесные сегрегации. Равновесные сегрегации образуются в случае, если негомогенность твердого тела в определенных областях объема (поверхность, межфазные границы, границы зерен, дислокации и т. д.) приводит к уменьшению свободной энергии тела. Неравновесная сегрегация происходит в том случае, если действие внешних факторов (механических, температурных и т. д.) приводит к вариации химического потенциала в объеме материала. Вследствие этого происходит диффузионное перераспределение элементов, скопление их в определенных областях, приводящее к выравниванию химического потенциала. С приближением всей системы к равновесному состоянию, вариации химического потенциала уменьшаются и процесс образования неравновесных сегрегаций замедляется, с уменьшением потока дефектов, вызывающих диффузию компонентов системы. Однако, если происходят структурные превращения, обуславливающие другое значение химического потенциала, то установившиеся концентрационные неоднородности отличаются от исходных, в этом состоянии сегрегации становятся равновесными. Очень важно отметить, что" неравновесные сегрегации определяются скоростью диффузионных процессов, исчезают при неограниченно больших временах и проявляются только в том случае, если диффузия позволяет достичь полного термодинамического равновесия.

Можно уверенно сказать, что неравновесные сегрегации изучены хуже, чем равновесные, особенно в аморфных сплавах. Это связано, во-первых, с изначально метастабильным состоянием аморфного сплава, так как внешние воздействия, приводящие к возникновению неравновесных сегрегаций, могут одновременно активировать переход аморфного сплава в более стабильное структурное состояние. Второй причинойявляется недостаток знаний о механизмах диффузии в аморфных сплавах. Природа равновесных сегрегаций определяется, как правило, с энергетических позиций и знание механизма диффузии здесь не является основополагающим. Для неравновесных сегрегаций, как уже было отмечено, процесс диффузии является определяющим и без знания механизмов диффузии зачастую нельзя понять физическую сущность данного явления.

Поэтому необходимо применение новых, в чем-то более прогрессивных методов, с помощью которых возможно построение обоснованных физических моделей. Одними из таких методов являются методы компьютерного эксперимента, такой как метод молекулярной динамики. Несмотря на то, что молекулярная динамика давно используется для решения задач физики твердого тела, следует отметить, что подавляющее большинство задач не имеет прямого практического применения. В, связи с этим необходимо комплексное использование результатов физического эксперимента и методов компьютерного моделирования для выявления микромеханизмов исследуемых процессов с дальнейшим построением математической модели.

В рамках такого подхода возможно не только плодотворно изучать неравновесные сегрегации, но и решить в некотором роде обратную задачу — косвенно определить механизм диффузии в аморфных сплавах, оценить кинетические коэффициенты. В связи с вышеизложенным целью работы являлось: Проведение комплексного исследования методами физического эксперимента и компьютерного моделирования для выявления закономерностей и микромеханизмов процессов перераспределения компонентов в поверхностных слоях аморфных сплавов системы металл-металлоид в условиях механических и низкотемпературных воздействий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние деформационного и низкотемпературного воздействий на изменение концентрации компонентов в поверхностных слоях аморфных сплавов (системы металл-металлоид).

2. Определить микромеханизмы процессов перераспределения компонентов в поверхностных слоях аморфных сплавов системы металл-металлоид.

3. Построить, на основе полученных результатов, модели сегрегационных процессов в поверхностных слоях аморфных сплавов системы металл-металлоид при деформационных и низкотемпературных воздействиях.

Для решения задач необходимо:

— получить экспериментальные данные по перераспределению компонентов в поверхностных слоях аморфных сплавов при деформации и охлаждении;

— методами молекулярной динамики выявить микроскопические механизмы вторичных процессов, сопровождающих процессы перераспределения;

— в рамках комплексного подхода построить модель, учитывающую взаимосвязь процессов;

— результаты модельных расчетов сравнить с экспериментальными данными, оценить значения кинетических коэффициентов.

Научная новизна работы:

— впервые получены экспериментальные результаты по композиционному перераспределению в поверхностных слоях аморфных металлических сплавов системы металл-металлоид при деформационному нагружению и низкотемпературной обработке в жидком азоте;

— методом молекулярной динамики смоделирован процесс перераспределения элементов в аморфном сплаве в условиях деформации растяжением и сжатием, а также в условиях температурного нагружения;

— выявлено, что перераспределение элементов происходит путем миграции в составе кластеров, использование теории Гегузина-Кривоглаза о миграции включений в твердых телах позволило получить удовлетворительные значения кинетических коэффициентов;

— произведено сравнение полученных коэффициентов с коэффициентами, полученными из диффузионных расчетов по феноменологической теории, показано их соответствие;

— показано, что учет существования кластеров в AMC при разработке физико-математических моделей исследованных процессов представляет теоретическую и практическую ценность для развития теории диффузии в аморфных металлических сплавах.

На защиту выносятся:

— экспериментальные результаты по сегрегационным процессам в поверхностных слоях аморфных сплавов системы металл-металлоид при деформационных и низкотемпературных воздействияхмодель перераспределения компонентов аморфных сплавов в условиях внешних воздействий;

— значения кинетических коэффициентов полученные путем компьютерного моделирования процессов и их расчетов в соответствии с феноменологической теории диффузии в аморфных сплавах.

Практическая значимость.

Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для оценки эксплуатационных характеристик аморфных сплавов системы металл-металлоид. Предложенный механизм миграции атомов бора и фосфора позволяет расширить представления о процессах перераспределения компонентов в неравновесных металлических системах, что может быть использовано при разработке технологий их получения и применения.

Апробация результатов.

Результаты работы докладывались на: IV Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1997 г.), XIV Уральской школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» (Ижевск-Екатеринбург, 1998 г.), Второй Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2003 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, изложена на 108 страницах, включая 35 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В работе представлены результаты комплексного исследования сегрегационных процессов в поверхностных слоях неравновесных металлических сплавов в условиях градиентов механических напряжений и температуры. Для достижения поставленной цели использована следующая последовательность исследований:

1. На примере AMC составов Fe70CrioPi3C7, Fe80B20, Co57Ni|oFe5SinBi7 методом Оже-электронной спектроскопии исследованы перераспределения компонентов в поверхностных слоях в условиях градиентов механических напряжений и низких температур.

2. Методом молекулярной динамики смоделированы процессы миграции компонентов системы в исследуемых условиях, получены основные данные по структуре сплавов и динамике протекающих процессов для разработки теоретической модели.

3. На базе теории М. А. Кривоглаза и Я. Е. Гегузина, описывающей движение макроскопических включений в твердых телах, предложена модель перераспределения компонентов аморфной системы типа металл-металлоид, позволяющая определить коэффициенты миграции металлоидов в условиях градиентов механических напряжений и низких температур.

Получены следующие результаты.

1. Деформирование аморфной ленты составов Fe7oCrioP|3C7, Fe8oB2() вызывает перераспределение компонентов сплавов в поверхностных слоях, аналогично перераспределению в поверхностных слоях AMC Fe82B18, Fe8iB19, Fe7oCri5B|5 увеличение концентрации атомов металла (надразмерного атома) в области растяжения и атомов металлоида (подразмерного атома) в зоне сжатия. Причем уровень концентрационного перераспределения зависит от степени деформации. Эти результаты могут свидетельствовать о идентичности сегрегационных процессов в неравновесных металлических системах, какими являются AMC системы металл-металлоид.

2. Выявлено перераспределение компонентов в поверхностных слоях аморфного металлического сплава Co57NiioFe5SiiiB|7 в условиях низкотемпературной (77 К) обработки, полученные результаты свидетельствуют о протекании релаксационных процессов при низкотемпературном воздействии.

3. Моделирование физических процессов на примере AMC состава FesoB2o методом молекулярной динамики на микроскопическом уровне показали, что в структуре аморфного присутствуют кластеры металл-металлоид. Процесс миграции металлоидов в условиях внешних нагружений осуществляется в составе кластеров Fe-B в область с более высокой концентрацией напряжений.

4. Предложена модель перераспределения компонентов AMC системы металл-металлоид, основой которой является теория Кривоглаза-Гегузина о движении макроскопических включений в твердых телах. Проведенный расчет диффузионных коэффициентов показал значения, близкие к оцененным в процессе компьютерного эксперимента.