Закономерности перестройки атомной структуры и формирования металлического стекла сплава Cu80Zr20 в процессе закалки из жидкого состояния

Актуальность темы

.

Металлические стекла (МС) обладают рядом уникальных свойств, недоступных для кристаллических аналогов. Благодаря этому они широко зарекомендовали себя как новые перспективные материалы для практического применения.

Несмотря на большое внимание, которое уделяется изучению структуры и свойств металлических стекол, наиболее актуальными и до конца не решенными остаются проблемы раскрытия закономерностей формирования структуры, локального упорядочения и атомной перестройки в процессе стеклования, структурной релаксации, пластической деформации и т. д. этого класса материалов. Экспериментальные методы изучения структуры МС свидетельствуют о том, что как в жидком, так и твердом аморфном состоянии структура проявляет икосаэдрическую симметрию, объемная доля которой растет в процессе закалки. Однако ограниченные возможности инструментальных методов исследования не позволяют ответить на вопрос о закономерностях самоорганизации ико-саэдрических структурных элементов и их перестройки в процессе стеклования. В этой связи большие надежды возлагаются на молекулярно — динамическое (МД) моделирование процессов перестройки структуры, которое позволяет анализировать атомную структуру конденсированной среды на всех этапах ее эволюции.

В ряде работ в рамках метода компьютерного эксперимента было показано, что в основе структурной перестройки расплава при стекловании чистых металлов и сплавов типа металл-металл лежит процесс образования перколяцион-ного кластера из контактирующих и взаимопроникающих икосаэдров, в вершинах и центрах которых расположены атомы. Позже формирование фрактального перколяционного кластера в процессе стеклования было подтверждено экспериментально.

Отсутствие трансляционной симметрии в перколяционном кластере вызывает трудности анализа его атомной структуры. Здесь необходим подход, который был бы основан на анализе типов сопряжений между икосаэдрами и другими координационными многогранниками. В настоящей работе на основе стати-стико-геометрического анализа взаимного расположения икосаэдров в модели металлического стекла Си8с^г2о представлены результаты, раскрывающие некоторые закономерности структурной организации перколяционного кластера, его морфологию, размерные характеристики его субструктурных элементов, а также влияние температуры в процессе закалки на динамическую устойчивость икоса-эдрических нанокластеров.

Работа выполнена на кафедре материаловедения и физики металлов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 годы)», проект № 2.1.1/4414 «Разработка физических моделей стеклования и поиск путей управления структурой и свойствами сплавов Ni6oAg4o, № 6оНЬ40, Бе^Вп».

Цель работыв рамках метода молекулярной динамики установить закономерности перестройки атомной структуры и формирования металлического стекла двухкомпонентной системы Си8(^г2о в процессе закалки из жидкого состояния.

В соответствии с целью в работе были поставлены следующие задачи:

— создать модель расплава двухкомпонентной системы Си^т2о',.

— провести компьютерный эксперимент закалки модели методом молекулярной динамики;

— методом статистико-геометрического анализа изучить закономерности локального атомного упорядочения сплава в процессе закалки;

— провести кластерный анализ на основе координационных многогранников, несовместимых с трансляционной симметрией;

— изучить эволюцию атомных структурных образований, лежащих в основе формирования металлического стекла, в процессе закалки;

— установить влияние размерного несоответствия компонент сплава на формирование аморфной структуры.

Научная новизна.

Получены данные о структурной перестройке сплава Сивс^гго в процессе закалки из жидкого состояния. Показано, что в основе стабилизации аморфного состояния лежит формирование перколяционного кластера из взаимопроникающих и контактирующих между собой икосаэдров, в центрах которых расположены меньшие по размеру атомы Си.

Обнаружено, что перколяционный кластер из взаимопроникающих и контактирующих между собой икосаэдров представляет собой конгломерат плот-ноупакованных политетраэдрических нанокластеров, в построении которых задействовано ~ 75% атомов системы.

Предложена модель структурной организации двухкомпонентных металлических сплавов в процессе стеклования, основанная на представлениях о зарождении и росте политетраэдрических нанокластеров, их столкновениях с образованием перколяционного кластера.

Показано, что нанокластеры представляют собой преимущественно разветвленные цепочки взаимопроникающих икосаэдров, а также отдельные икосаэдры.

Рассмотрены процессы зарождения, роста и распада икосаэдрических нанокластеров на всех этапах формирования металлического стекла.

Выявлена роль размерного несоответствия на формирование структуры металлического стекла Си8(^г2о.

Научная и практическая значимость работы.

Полученные результаты статистико-геометрического и кластерного анализа атомных структур Си802г20 в процессе формирования металлического стекла при закалке, а также изучение морфологии структурных единиц перколяцион-ного кластера, образованного взаимопроникающими и контактирующими между собой икосаэдрами, раскрывает фундаментальные закономерности структурной организации двухкомпонентных металлических систем в жидком и в твердом аморфном состоянии, процессы их перестройки при стекловании. Полученная информация об организации атомной структуры МС, влиянии соотношения размеров атомов на склонность системы к аморфизации позволит прогнозировать результаты проводимых экспериментальных исследований по разработке металлических стекол новых двухкомпонентных систем типа металл-металл.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В процессе закалки сплава Си8(^г2о в результате доминирующего роста икосаэдрических координационных многогранников формируется перколяци-онный кластер из взаимопроникающих и контактирующих по граням икосаэдров.

2. Большая доля атомов, задействованных в построении икосаэдров 75%), разветвленная структура построенного на их основе перколяционного кластера и крупные по размеру икосаэдрические нанокластеры (~ 1200 атомов) обусловлены большой величиной (20%) размерного несоответствия атомов Си и Ъх.

3. Как в жидком, так и в твердом аморфном состоянии происходит непрерывный обмен атомов между икосаэдрами нанокластеров и окружающими их координационными многогранниками, при этом среднее число атомов, задействованных в построении икосаэдров, остается неизменным.

4. Выше температуры стеклования наблюдается динамическое равновесие между процессами образования новых и распада старых нанокластеров, ниже температуры стеклования происходит лишь изменение морфологии перколяци-онного кластера.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: VII Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2010) — IV Всероссийской конференции по наноматериалам (Москва, 2011) — XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» МИШР-13 (Екатеринбург, 2011).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автору принадлежат: построение компьютерной модели закалки расплава и анализ полученных данных [1,3−5]- построение и анализ кластерной модели металлического стекла Cu8oZr2o [1,3−5]- исследование структурной эволюции политетраэдрических нанокластеров в процессе закалки [2].

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы, содержащего 128 наименований. Основная часть работы изложена на 91 странице и содержит 43 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Представленные в настоящей работе результаты исследования эволюции атомной структуре сплава Си802г20 в процессе закалки свидетельствуют о том, что в основе структурной перестройки при стекловании этой системы лежит образование перколяционного кластера из взаимопроникающих и контактирующих только по граням икосаэдров, в центрах которых находятся атомы Си. На долю перколяционного кластера приходится ~ 75% атомов, а остальные атомы образуют менее плотную структуру без каких-либо признаков упорядочения.

2. Формирование перколяционного кластера происходит за счет образования контактов по граням взаимопроникающих икосаэдров отдельных нанокла-стеров, увеличивающих свои размеры в процессе закалки.

3. Наиболее крупные нанокластеры представляют собой сильно разветвленные цепочки взаимопроникающих икосаэдров. Количество нанокластеров резко увеличивается с уменьшением их размеров. Число икосаэдров в нанокла-стерах находится в пределах от 1 до -270, а число атомов, задействованных в их построении, — от 13 до -1200 соответственно.

4. Структура икосаэдрического перколяционного кластера содержит фрагменты кристаллических интерметаллидов, присутствующих на диаграмме состояния Си-2г.

5. В расплаве системы Си802г20 идет интенсивный процесс зарождения и распада малых по размеру икосаэдрических нанокластеров, а их равновесная концентрация и размер увеличиваются с понижением температуры.

6. При температурах вблизи температуры стеклования морфология нанокластеров непрерывно изменяется — появляются новые и распадаются старые цепочки взаимопроникающих икосаэдров. При этом среднее число атомов, задействованных в построении всех икосаэдров системы, при постоянной температуре остается неизменным.

7. При температурах ниже температуры стеклования икосаэдрические на-нокластеры испытывают незначительные изменения морфологии за счет взаимных локальных переходов атомов между координационными многогранниками (0−0-12−0) и (0−1-10−2), (0−2-8−2), (1−0-9−3). При этом среднее число атомов, задействованных в построении каждого нанокластера, входящего в перколяци-онный, остается постоянным.

8. Большая величина соотношения радиусов атомов Си и Ъх (20%) в системе Си802г20, обеспечивая частичную компенсацию размерного несоответствия в икосаэдрической структуре, приводит к росту общего числа икосаэдров в МС, формированию крупных сильно разветвленных икосаэдрических нано-кластеров и перколяции только за счет контактов по граням икосаэдров.

В заключение автор выражает искреннюю признательность и благодарность своему научному руководителю профессору Косилову Александру Тимофеевичу за доброжелательное отношение и всестороннюю помощь, оказанные при написании данной работы. Выражаю большую благодарность Евтееву Александру Викторовичу, Миленину Андрею Викторовичу, а также всем сотрудникам кафедры материаловедения и физики металлов за дружескую поддержку.