Компьютерное моделирование механизма возникновения локализованных синергетических дефектных субструктур при пластической деформации нанокристаллов металлов

А. С. Гаценко$^{1}$, Е. Э. Засимчук$^{1}$, П. О. Теселько$^{2}$, С. Г. Стиренко$^{3}$, Ю. Г. Гордиенко$^{3}$

$^{1}$Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03680, ГСП, Киев-142, Украина
$^{2}$Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, ул. Владимирская, 64, 01601 Киев, Украина
$^{3}$Национальный технический университет Украины «КПИ», пр. Победы, 37, 03056 Киев, Украина

Получена: 06.08.2013; окончательный вариант - 28.08.2014. Скачать: PDF

Компьютерное моделирование процессов пластической деформации для нанокристаллов металлов с ГЦК-решёткой (Al, Cu, Pt) выполнено методами молекулярной динамики с использованием новых методик интенсивных вычислений на основе технологий «научного шлюза» (Science Gateway) и WS-PGRADE/gUSE, грид-инфраструктур «сервисный грид» (Service Grid) и «настольный грид» (Desktop Grid). Найдены новые черты эволюции неупорядоченного расположения атомов (так называемых атом-вакансионных состояний), которые возникают в процессе одноосного монотонного нагружения идеальных нанокристаллов кубической ориентации. Показано, что коллективная перестройка расположения атом-вакансионных состояний приводит к значительным изменениям усреднённых значений напряжений. В результате эволюции атом-вакансионных состояний образуются коллективные самоорганизующиеся зоны локализации напряжений, которые имеют вид квазипериодических полос с различными количественными параметрами для разных металлов (толщина, период, момент образования), однако с одинаковыми качественными признаками (некристаллографическое направление, эволюция, наклон, сквозное расположение в объёме, выход на поверхность). Моделируемые полосы неоднородного распределения напряжений трактуются как предвестники образования полос коррелированного перемещения групп атом-вакансионных (или сильно возбуждённых) состояний, т.е. каналов неоднородного локализованного (гидродинамического) пластического течения на низком (нанометровом) масштабном уровне. При дальнейшей эволюции такие полосы могут стать носителями гидродинамических мод деформации на микроскопическом и макроскопическом уровнях, что наблюдалось в экспериментах различных научных групп. Моделированием результатов рентгенографического анализа показано, что с увеличением степени деформации происходит уменьшение интенсивности дифракционных пиков и их смещение, что свидетельствует о присутствии дефектов точечного типа. Таким образом, в качественном смысле можно сделать вывод о правильности трактовки неупорядоченных положений атомов в данной работе, а именно, как точечных дефектов со свойствами атом-вакансионных состояний. На основе изложенных результатов и их обсуждения делается вывод, что пластическая деформация нанокристаллов ГЦК-металлов в условиях, когда дислокационное скольжение невозможно, осуществляется путём локализованного гидродинамического течения вещества по каналам с неплотной некристаллической (жидкостнообразной) структурой по механизму образования метастабильных точечных дефектов атом-вакансионного типа, их эволюции и самоорганизации в полосы локализации на больших масштабных уровнях.

Ключевые слова: пластическая деформация, массоперенос, дефектные субструктуры, нанокристаллы, синергетика, компьютерное моделирование, рентгенографический анализ.

URL: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v36/i09/1207.html

PACS: 61.43.Bn, 61.72.Bb, 61.72.J-, 62.20.Fq, 62.25.Mn, 81.40.Lm, 83.50.Ha


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. E. E. Zasimchuk and L. I. Markashova, Mater. Sci. Eng. A, 127, No. 1: 33 (1990). Crossref
  2. Yu. G. Gordienko, R. G. Gontareva, J. S. Schreiber, E. E. Zasimchuk, and I. K. Zasimchuk, Adv. Eng. Mater., 8, No. 10: 957 (2006). Crossref
  3. E. E. Zasimchuk, Yu. G. Gordienko, R. G. Gontareva, and I. K. Zasimchuk, J. Mater. Eng. Perf., 12, Iss. 10: 69 (2003).
  4. Yu. G. Gordienko, E. E. Zasimchuk, and R. G. Gontareva, J. Mater. Sci. Lett., 22, No.3: 241 (2003). Crossref
  5. Yu. G. Gordienko, E. E. Zasimchuk, R. Gontareva, and V. Alexandrov, Int. J. Eng. Simul., 1, No. 3: 2 (2000).
  6. P. V. Kuznetsov, I. V. Petrakova, Y. G. Gordienko, E. E. Zasimchuk, and V. L. Karbovskii, Phys. Mesomech., 12, No. 1: 85 (2009). Crossref
  7. E. E. Zasimchuk, Yu. G. Gordienko, L. Markashova, and T. Turchak, J. Mater. Eng. Perf., 18, Iss. 7: 947 (2009). Crossref
  8. E. Zasimchuk, L. Markashova, O. Baskova, T. Turchak, N. Chausov, V. Hutsaylyuk, and V. Berezin, J. Mater. Eng. Perf., 22, Iss. 11: 3421 (2013). Crossref
  9. Е. Э. Засимчук, Л. И. Маркашова, Т. В. Турчак, Н. Г. Чаусов и др., Физическая мезомеханика, 12, № 2: 77 (2009).
  10. Н. Чаусов, Е. Засимчук, Л. Маркашова, В. Вильдеман и др., Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 4: 54 (2008).
  11. E. Zasimchuk, Yu. Gordienko, L. Markashova, and T. Turchak, J. Mater. Eng. Perf., 18, Iss. 7: 947 (2009). Crossref
  12. Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, В. И. Прудникова, Т. В. Турчак, Металлофиз. новейшие технол., 27, № 5: 595 (2005).
  13. Yu. G. Gordienko and E. E. Zasimchuk, Philos. Mag. A, 70, No. 1: 99 (1994). Crossref
  14. В. Е. Панин, В. Е. Егорушкин, Ю. А. Хон, Т. Ф. Елсукова, Изв. вузов. Физика, 24, № 12: 5 (1982).
  15. В. Е. Егорушкин, В. Е. Панин, Е. В. Савушкин, Ю. А. Хон, Изв. вузов. Физика, 30, № 1: 9 (1987).
  16. S. Flach and A. V. Gorbach, Phys. Reports, 467: 1 (2008). Crossref
  17. V. I. Dubinko, P. A. Selyshchev, and J. F. R. Archilla, Phys. Rev. E, 83, No. 4: 041124 (2011). Crossref
  18. O. Gatsenko, L. Bekenev, E. Pavlov, and Yu. G. Gordienko, Comp. Sci., 14, No. 1: 27 (2013). Crossref
  19. P. Kacsuk, Z. Farkas, M. Kozlovszky, G. Hermann, A. Balasko, K. Karoczkai, and I. Marton, J. Grid Comp., 9, No. 4: 479 (2012).
  20. O. Baskova, O. Gatsenko, and Yu. G. Gordienko, Proc. Cracow Grid Workshop’10 (2011, Cracow, Poland), p. 234.
  21. Y. Gordienko, L. Bekenev, O. Baskova, O. Gatsenko, E. Zasimchuk, and S. Stirenko, Proc. of 6th International Workshop on Science Gateways ‘IWSG-2014’ (2014, Dublin, Ireland), arXiv preprint arXiv:1404.5611.
  22. S. Stirenko, O. Zinenko, and D. Gribenko, Proc. Third Int. Conf. ‘High Performance Computing HPC-UA 2013’ (2013, Kyiv, Ukraine), p. 380.
  23. S. M. Foiles, M. I. Baskes, and M. S. Daw, Phys. Rev. B, 33, No. 12: 7983 (1986). Crossref
  24. K. W. Jacobsen, J. K. Norskov, and M. J. Puska, Phys. Rev. B, 35, No. 14: 7423 (1987). Crossref
  25. S. Plimpton, J. Comp. Phys., 117: 1 (1995). Crossref
  26. W. Humphrey, A. Dalke, and K. Schulten, J. Mol. Graph., 14, No. 1: 33 (1996). Crossref
  27. A. Stukowski, Mod. Sim. Mater. Sci. Eng., 18, No. 1: 015012 (2010). Crossref
  28. Ю. Г. Гордієнко, Металлофиз. новейшие технол., 33, № 9: 1217 (2011).
  29. H. Tsuzuki, P. Branicio, and J. Rino, Comp. Phys. Comm., 177: 518 (2007). Crossref
  30. E. E. Zasimchuk, Yu. G. Gordienko, J. Schreiber, R. Gontareva, P. Kuznetsov, and V. Karbovsky, Mater. Sci. Forum, 567: 421 (2008).
  31. Е. Э. Засимчук, И. Т. Ярматов, Физическая мезомеханика, 12, № 3: 55 (2009).
  32. Е. Э. Засимчук, Ю. Г. Гордиенко, А. С. Гаценко, А. И. Баскова, И. Т. Ярматов, Физическая мезомеханика, 13, № 2: 61 (2010).
  33. O. Gatsenko, O. Baskova, O. Lodygensky, G. Fedak, and Yu. G. Gordienko, Key Eng. Mater., 465: 306 (2011). Crossref
  34. M. Wojdyr, Y. Mo, E. Grzanka, S. Stelmakh, S. Gierlotka, T. Proffen, and I. Szlufarska, Z. Kristallogr., 26, Suppl.: 255 (2007). Crossref
  35. М. А. Кривоглаз, Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах (Киев: Наукова думка: 1988).