Исследование методом молекулярной динамики влияния водорода и углерода на подвижность границ зёрен в $\alpha$-железе

С. М. Теус, В. Г. Гаврилюк

Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена: 02.06.2019. Скачать: PDF

Влияние водорода и углерода на подвижность границ зёрен в $\alpha$-железе было исследовано с использованием метода молекулярной динамики. Расчёты выполнены в рамках упругого приближения. Водород и углерод проявляют сильную склонность к зернограничной сегрегации. Показано, что находясь в окрестности границ зёрен, водород понижает значение энтальпии активации их миграции, что проявляется в повышенной мобильности границ зёрен в сравнении с ненаводороженным образцом. В противоположность этому, атомы углерода жёстко закрепляют границу зерна на её первоначальной позиции во всём температурном интервале и при всех значениях деформации, использованных при моделировании. Полученные результаты интерпретируются, основываясь на противоположном влиянии элементов на межатомные взаимодействия: повышении концентрации свободных электронов водородом и их понижении углеродом. Предполагается, что индуцированная водородом повышенная подвижность границы зерна может быть причиной раннего старта рекристаллизации, что наблюдается в наводороженных сплавах на основе железа.

Ключевые слова: водород, углерод, межатомная связь, электронная структура, подвижность границы зерна, молекулярная динамика.

URL: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v41/i09/1187.html

PACS: 61.50.Lt, 61.72.jj, 61.72.Mm, 61.72.S-, 71.15.Pd, 71.20.-b


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. L. C. Lim and R. Raj. Acta Metal., 32(8): 1183 (1984). Crossref
  2. L. C. Lim and R. Raj, Acta Metal., 33(8):1577-1583 (1985). Crossref
  3. R. C Pond and D. A. Smith, Philos. Mag., 36(2): 353 (1977). Crossref
  4. N. Hansen, A, Horsewell T. Leffers, and H. Lilholt, Proceedings of the 2nd Riso International Symposium on Metallurgy and Materials Science (September 14–18, Riso) (Denmark, Roskilde: National Laboratory: 1981).
  5. T. N. Backer, Yield, Flow and Fracture of Polycrystals (London: Applied Science Pub.: 1983).
  6. T. Watanabe, J Phys. Colloques., 49(C5): 507 (1988). Crossref
  7. L. S. Shvindlerman and B. B. Straumal. Acta Metall., 33(9): 1735 (1985). Crossref
  8. K. T. Aust, U. Erb, and G. Palumbo. Mater. Sci. Eng. A, 176: 329 (1994). Crossref
  9. W. T. Geng, A. J. Freeman, R. Wu, and G.B. Olson, Phys. Rev. B, 62: 6208 (2000). Crossref
  10. J. P. Buban, K. Matsunaga, J. Chen, N. Shibata, W. Y. Ching, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara, Science, 311: 212 (2006). Crossref
  11. M. Yamaguchi, Metall. Mater. Trans., 42: 319 (2011). Crossref
  12. D. N. Seidman, B. W. Krakauer, and D. Udler, J. Phys. Chem. Solids, 55(10): 1035 (1994). Crossref
  13. A. Sutton and R. Balluffi, Interfaces in Crystalline Materials (Oxford, UK: Clarendon Press: 1995).
  14. E. D. Hondros and M. P. Seah, Int. Met. Rev., 22: 262 (1977). Crossref
  15. M. Yamaguchi, M. Shiga, and H. Kaburaki. Science, 307: 393 (2005). Crossref
  16. J. S. Wang, Eng. Fract. Mech., 68(6): 647 (2001). Crossref
  17. T. Ohmisawa, S. Uchiyama, and N. Nagumo, J. Alloys Compd., 356–357: 290 (2003). Crossref
  18. Yu. N. Petrov, Scr. Metall. Mater., 29: 1471 (1993). Crossref
  19. K. H. Lo, C. H. Shek, and J. K. L. Lai, Mater. Sci. Eng. R, 65: 39 (2009). Crossref
  20. P. Novak, R. Yuan, B. P. Somerday, P. Sofronis, and R. O. Ritchie, J. Mech. Phys. Solids, 58: 206 (2010). Crossref
  21. L. Zhong, R. Wu, A. J. Freeman, and G. B. Olson, Phys. Rev. B, 62 (21): 13938 (2000). Crossref
  22. H. Fukushima and H. K. Birnbaum. Acta Metall., 32(6): 851 (1984). Crossref
  23. J. W. Cahn and J. E. Taylor, Acta Mater., 52(14): 4887 (2004). Crossref
  24. J. W. Cahn, Y. Mishin, and A. Suzuki, Acta Mater., 54 (19): 4953 (2006). Crossref
  25. T. J. Rupert, D. S. Gianola, Y. Gan, and K. J. Hemker, Science, 326: 1686 (2009). Crossref
  26. B. B. Straumal, V. G. Sursayeva, and L. S. Shvindlerman, Phys. Met. Metalloved., 49: 102 (1980).
  27. V. Yu. Aristov, Ch. V. Kopetsky, V. G. Sursayeva, and L. S. Shvindlerman, Reports of USSR Academy of Sciences, 225 (14): 804 (1975) (in Russian).
  28. L. S. Shvindlerman, G. Gottstein, and D. A. Molodov, phys. status solidi (a), 160 (2): 419 (1997). Crossref
  29. S. Plimpton, J. Comp. Phys., 117 (1): 1 (1995). Crossref
  30. S. Ranganathan, Acta Cryst., 21: 197 (1966). Crossref
  31. M. A. Fortes, phys. status solidi (b), 54 (1): 311 (1972). Crossref
  32. D. E. Jiang and E. A. Carter, Phys. Rev B, 70: 064102 (2004). Crossref
  33. J. K. Norskov, Phys. Rev. B, 26 (6): 2875 (1982). Crossref
  34. A. Ramasubramaniam, M. Itakura, and E. Carter, Phys. Rev. B, 79 (17): 174101 (2009). Crossref
  35. M. I. Mendelev, S. Han, D. J. Srolovitz, G. J. Ackland, D. Y. Sun, and M. Asta, Philos. Mag., 83: 3977 (2003). Crossref
  36. G. J. Ackland, M. I. Mendelev, D. J. Srolovitz, S. Han, and A. V. Barashev, J. Phys. Condens. Mat., 16 (27): S2629 (2004). Crossref
  37. M. W. Finnis and J. E. Sinclair, Philos. Mag A, 50: 45 (1984). Crossref
  38. D. J. Hepburn and G. J. Ackland, Phys. Rev. B, 78 (16): 165115 (2008). Crossref
  39. M. Parrinello and A. Rahman, J. Appl Phys., 52: 7182 (1981). Crossref
  40. S. Nose, Mol. Phys., 52: 255 (1984). Crossref
  41. W. G. Hoover, Phys. Rev. A, 31 (3): 1695 (1985). Crossref
  42. H. Zhang, M. I. Mendelev, and D. J. Srolovitz, Acta Mater., 52 (9): 2569 (2004). Crossref
  43. H. Zhang, M. I. Mendelev, and D.J. Srolovitz, Scr. Mater., 52: 1193 (2005). Crossref
  44. B. Schonfelder, P. Keblinski, D. Wolf, and S. R. Phillpot, Mater. Sci. Forum, 294–296: 9 (1998). Crossref
  45. D. L. Olmsted, E. A. Holm, and S. M. Foiles, Acta Mater., 57 (13): 3704 (2009). Crossref
  46. K. G. F. Janssens, D. Olmsted, E. A. Holm, S. M. Foiles, S. J. Plimpton, and P. M. Derlet, Nature Mater., 5: 124 (2006). Crossref
  47. D. L. Olmsted, S. M. Foiles, and E. A. Holm, Scr. Mater., 57: 1161 (2007). Crossref
  48. Z. T. Trautt, M. Upmanyu, and A. Karma, Science, 314: 632 (2006). Crossref
  49. S. M. Foiles and J. J. Hoyt, Acta Mater., 54 (12): 3351 (2006). Crossref
  50. M. I. Mendelev, C. Deng, C. A. Schuh, and D. J. Srolovitz, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 21: 045017 (2013). Crossref
  51. J.-E. Brandenburg and D. A. Molodov, Scr. Mater., 163: 96 (2019). Crossref
  52. J. M. Rickman, S. R. Phillpot, D. Wolf, D. L. Woodraska, and S. Yip, J. Mater. Res., 6 (11): 2291 (1991). Crossref
  53. D. Faken and H. Jonsson, Comput. Mater. Sci., 2 (2): 279 (1994). Crossref
  54. H. Tsuzuki, P. S. Branicio, and J. P. Rino, Comput. Phys. Commn., 177 (6): 518 (2007). Crossref
  55. A. Inoue, H. Nitta, and Y. Iijima, Acta Mater., 55 (17): 5910 (2007). Crossref
  56. J. F. Lutsko, D. Wolf, S. Yip, S. R. Phillpot, and T. Nguyen, Phys. Rev. B, 38 (16): 11572 (1988). Crossref
  57. J. F. Lutsko, D. Wolf, S. R. Phillpot, and S. Yip, Phys. Rev. B, 40 (5): 2841 (1989). Crossref
  58. B. Schonfelder, D. Wolf, S. R. Phillpot, and M. Furtkamp, Interface Sci., 5 (4): 245 (1997). Crossref
  59. K. Lucke and H.-P. Stuwe, (Ed. L. Himmel) Recovery and Recrystallization of Metals (New York: Interscience: 1963), p. 171.
  60. M. Yamaguchi, J. Kameda, K.-I. Ebihara, M. Itakura, and H. Kaburaki, Philos, Mag., 92 (11): 1349 (2012). Crossref
  61. S. M. Teus, V. F. Mazanko, J.-M. Olive, and V. G. Gavriljuk, Acta Mater., 69: 105 (2014). Crossref
  62. V. M. Shyvanyuk, Y. Mine, and S. M. Teus, Scr. Mater., 67: 979 (2012). Crossref
  63. C. Herrera, C. L. Plaut, and A. F. Padilha, Mater. Sci. Forum, 550: 423 (2007). Crossref
  64. A. A. Smirnov, Metal Physics, 13 (11): 21 (1991) (in Russian).
  65. V. G. Gavriljuk, V. N. Bugaev, Yu. N. Petrov, A. V. Tarasenko, and B. Z. Yanchitsky, Scr. Mater., 34 (6): 903 (1996). Crossref
  66. R. B.McLellan, J. Phys. Chem. Solids, 49 (10): 1213 (1988). Crossref
  67. N. F. Mott, Proc. Phys. Soc., 60: 391 (1948). Crossref
  68. D. Turnbull, Trans AIME, 191: 661 (1951). Crossref
  69. C. M. F. Rae and D. A. Smith, Philos. Mag. A, 41 (4): 477 (1980). Crossref
  70. S. M. Teus, V. N. Shivanyuk, B. D. Shanina, and V. G. Gavriljuk, phys. status solidi (a), 204 (12): 4249 (2007). Crossref
  71. S. M. Teus and V. G. Gavriljuk, Materials Lett., 258: 126801 (2020). Crossref
  72. V. G. Gavriljuk, B. D. Shanina, V. N. Shyvanyuk, and S. M. Teus, Corros. Rev., 31 (2): 33 (2013). Crossref
  73. S. Simonetti, M. E. Pronsato, G. Brizuela, and A. Juan, Appl. Surf. Sci., 217: 56 (2003). Crossref