книги / Моделирование на ЭВМ дефектов в металлах

1.Одним из возможных механизмов проникновения примесей

вкристаллы в процессе пластической деформации является увлечение примесных атомов движущимися перегибами на вин­ товых дислокациях. Альтернативным механизмом взаимодействия дислокации с примесным атомом является отрыв перегиба от примеси лпбо полная остановка перегиба на примеси. Внедрение примеси в перегиб приводит фактически к образованию нового структурпого дефекта «комплекса перегиб+ примесный атом», характеристики которого резко отличаются от входящих в него дефектов: примесного атома и перегиба.

Увлечение примеси перегибом возможно при выполнении условия, согласно которому энергия миграции комплекса «пере­

На атомном уровне это условие дополняется требованием наличия достаточно большой локальной конфигурационной силы, дей­ ствующей на перегиб, и динамического понижения миграционного барьера перегиба с примесыо.

2. В результате микроскопических расчетов на ЭВМ уста­ новлено, что, хотя энергпя внедрения GMA в ядро краевой дисло­ кации а[100] низкая, миграционные барьеры высокие. Поэтому коэффициент трубочной диффузии по неподвижным дислокациям меньше, чем объемный. В случае винтовой дислокации а/2 [111] паиболее выгодна траектория миграции по винтовой линии, охватывающей ось дислокации.

. В результате взаимодействия прямолинейной скользящей дислокации с примесным атомом происходит перемещение по­ следнего, в частности в случае краевой дислокации а [100], из положения внедрения в положение замещения в ядре дислокации и с эстафетной его передачей при скольжении дислокации. Увле­ чение примесных атомов гелия и углерода скользящей винтовой дислокацией не наблюдалось.

3. Равновесная структура перегиба на винтовой дислокации а/2 [111] размыта на длине 65. Для вторичного барьера Пайерлса получено значение 0.004 эВ, что согласуется с температурой начала термоактивированной пластической деформации (50 К) в альфа-железе. Релаксация парного перегиба резко отличается от предполагаемой классической схемы его аннигиляции.

«Обходных» путей миграции, имеющихся на прямой винто­ вой дислокации, в перегибе пет. Примесные атомы не увлекаются перегибом, а закрепляют его. Под действием набегающего на примесный атом перегиба последний захватывается атомом гелия и останавливается, а в случае атома углерода проходит мимо, вызывая переход атома углерода в соседнее межузлие.

Из вышеизложенного следует, что упругие модели не способны адекватно описать многообразие взаимодействий точечных де­ фектов с ядром дислокации, а в ряде случаев дают неверные результаты. Проведенные в настоящей работе численные расчеты нуждаются н проверке как с использованием других потенциалов

7'i

метрических моделей; второй этап — создание моделей релаксированной зернограничной структуры, учитывающих межатом­ ное взаимодействие; третий этап, начавшийся в последние годы, — создание методов, позволяющих не только получать качественное представление об атомной структуре границ зерен, но л осуще­ ствлять оценки их свойств, исходя из координат отдельных

ниц зерен было создано два фундаментальных представления: модель совпадающих узлов [1 ] и модель структурных элементов [4, 5]. Модель совпадающих узлов, предложенная Кронбергом и Впльсопом [1 ], основывается на анализе наложения решеток зерен, образующих границу, и выделении общих (совпадающих) узлов двух решеток. С помощью такого анализа был сделан вы­ вод, что специальные свойства (в первую очередь экстремально низкую величину зернограничпой энергии у) должны иметь границы с высокой плотностью совпадающих узлов. В качестве структурной характеристики таких границ были приняты вели­ чины обратпой плотности совпадающих узлов — объемной (2) и поверхпостной (а). Были разработаны методы определения параметров решетки совпадающих узлов (РСУ) для кубических ГЦК- и ОЦК-решеток [6], для ГПУ и тетрагональных решеток {7, 8], структуры типа алмаза [9, 10]. В результате для этих решеток к настоящему времени протабулированы кристалло­ графические параметры (ось и угол разорпентации зерен и ориентация границы), соответствующие низким значениям 2 и а.

Значение геометрического анализа совпадающих решеток за­ ключается в том, что для наиболее распространенных структур выделены из бесконечного многообразия параметров те, которые могут отвечать специальным свойствам границ. Это в огромной степени облегчает дальнейшую работу по последованию струк­ туры границ зерен.

Однако модель РСУ обладает и целым рядом недостатков. Вопервых, энергия границ не монотонно завпспт от величины 2 (для примера см. [И]). Более того, в ряде случаев границы с низ­

в результате электронно-микроскопических исследований с атом­ ным разрешением, позиции атомов в структуре границ смещены по отношению к узлам РСУ [13, 14]. Поэтому очевидно, что для исследования взаимосвязи структуры и свойств границ зерен необходима более реалистичная модель их строения.

Модель структурных элементов была впервые использована Хористрой [4, 5] для описания структуры границ зерен в крем­ нии. В этой модели структура границ описывалась повторяю­ щимся набором элементов, качественно похожих на ядро дисло­ кации. Учитывая, что исследовались прп этом большеугловые

77

структурных элементов, иногда использовали сшивку зерен через слой со случайным расположением атомов [20], но чаще сшивали неискаженные решетки, развернутые вокруг общего узла, непо­ средственно по плоскости границы [21 ]. В настоящее время, особенно для границ с большим значением Е, можно в качестве исходной структуры использовать готовый набор структурных элементов [17—19, 22]. Использование такого подхода могло бы наиболее существенно облегчить расчет границ общего типа [23] и границ зерен в полупроводниках [24—27].

Далее необходимо задать граничные условия — способ расчета энергии атомов возле границ операционного объема. Возможно два подхода — жесткие и периодические граничные условия. Жесткие граничные условия [28] заключаются в использовании большого операционного объема, в котором атомы, отстоящие от внешних поверхностей менее чем на длину взаимодействия (расстояние, на котором энергия взаимодействия считается отлич­ ной от нуля), жестко закрепляются. Практически расчет релак­ сации осуществляется только для сердцевины операционного объема. Периодические граничные условия представляются с по­ мощью учета трансляционной симметрии в плоскости границы [20, 21]. Операционный объем переносится вдоль периодов иден­ тичности для расчета энергии атомов, лежащих у его поверхностей, перпендикулярных плоскости границы зерен. Для атомов у по­ верхностей, параллельных плоскости границы, всегда исполь­ зуются жесткие граничные условия. В настоящее время в абсо­ лютном большинстве работ применяются периодические гранич­ ные условия.

Собственно в процедуру релаксации могут входить три способа изменения атомной конфигурации в операционном объеме: жест­ кий сдвиг, введение дополнительных атомов илп образование вакансий, атомная релаксация.

Жесткий сдвиг заключается в смещении зерен относительно друг друга без изменения координат отдельных атомов. В резуль­ тате определяется взаимное расположение зерен, соответствую­ щее минимуму энергии их взаимодействия. Процедура жесткого сдвига использовалась в большинстве работ, и было установлено, что взаимное смещение решеток зерен оказывается необходимым для многих границ [21, 29—31 ]. Наличие жесткого сдвига в струк­ туре границ зерен подтверждается также экспериментальными работами по электронной микроскопии высокого разрешения [14, 32, 33]. Отметим, что при формировании структуры границы из готовых структурных элементов необходимо учитывать возмож­ ность наличия жесткого сдвига в скрытой форме в геометрии струк­ турного элемента.

В ряде работ рассматривалась возможность введения допол­ нительных атомов или образования вакансий в структуре границ в процессе моделирования [20, 21, 34]. В работах [5, 15, 16] в структурных элементах, описывающих строение границ в крем­ нии, использовано совмещение двух атомов в один, что эквпва-

79