Известно, что к точечным дефектам относятся различные ассоциации, или комплексы точечных дефектов [1-3]. Число возможных комплексов очень велико, а вероятность их образования тем больше, чем больше концентрация простых дефектов и чем больше вероятность их встреч. Образовавшиеся комплексы в большинстве случаев обладают свойствами отличными от свойств образующих их простых дефектов. При высоких температурах, когда равновесная концентрация достаточно велика, одиночные вакансии могут образовывать вакансионные комплексы типа ди-, тривакансии в зависимости от энергии их связи. Ранее особенности процесса разупорядочения сплава Cu3Au в зависимости от концентрации вакансий и температуры были рассмотрены в работах [4]. В настоящей работе методом молекулярной динамики изучены стадии образования комплексов, состоящих из двух вакансий в зависимости от расстояния между ними, предельной температуры их существования и их вклад в процесс разупорядочения сплава Cu3Au в зависимости от температуры и влияние давления всестороннего сжатия и растяжения на температурные области их устойчивости.
В качестве объекта исследования был взят двумерный кристалл сплава Cu3Au, соответствующей упаковке атомов плоскости {111} ГЦК решётки сверхструктуры L12. Расчетный блок кристалла представлялся содержащим 1600 атомов, за пределами блока структура повторялась с помощью периодических граничных условий. Кристалл импульсно разогревался от 0К до определенной температуры, выдерживался при этой температуре в течение 50 пс компьютерного времени, а затем охлаждался. Всего конфигураций в интервале расстояний между парами вакансий до пятого соседства десять. На более далёких расстояниях эффекты взаимодействия между парами вакансий оказываются незначительными и поэтому не рассматриваются. Эксперименты проводились с использованием программы [5].
В таблице 1 приведено изменение температуры активации процесса объединения двух одиночных вакансий в дивакансионный комплекс.
Таблица 1. Изменение температуры активации процесса объединения двух одиночных вакансий в дивакансионный комплекс в зависимости от температуры
|
Координационная сфера |
Т, К |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
Au-Cu |
1 |
200 |
|
2 |
100 |
|
|
4 |
350 |
|
|
Au-Cu |
5 |
300 |
|
Cu-Cu |
1 |
50 |
|
2 |
100 |
|
|
3 |
10 |
|
|
4 |
300 |
|
|
5 |
350 |
|
|
Au-Au |
3 |
300 |
В результате исследований было ус- жайшем соседстве свободный объём со-
тановлено, что для двумерного кристалла упорядоченного сплава Cu3Au объединение пары вакансий в комплекс и его трансформация в тривакансию и межузельный атом
ставляет
стве 3a2
5a2
2
.
3
3 , тогда как в третьем сосед-
происходит в интервалах температур от 10К до 300К в зависимости от расстояния между парами вакансий. Как видно из таблицы 1, температуры, при которых происходит образование комплекса, зависят от типа узлов, в которые помещаются вакансии. Одним из факторов, объясняющим, что в третьем соседстве пары вакансий CuCu обнаруживается относительный минимум энергии образования комплекса по температуре (10К), может служить свободный объём. В случае дивакансии в бли-
В работе [6] показано, что пары
близкорасположенных вакансий могут объединяться в дивакансии, которые трансформируются в комплекс, состоящий из межузельного атома и трёх близкорасположенных вакансий. В плоскости {111} сверхструктуры L12 можно выделить четыре типа тривакансий, центрируемых межузельным атомом. Примеры стартовых конфигураций комплексов приведены на рис. 1.
Рис. 1. Стартовые конфигурации комплексов
Характеристикой образования последнего комплекса является визуализатор, показывающий распределение плотноупакованных рядов. Картина атомных рядов включает три диапазона (относительно оси х): -300 –300; 300 –900; 900 –1500. На рис. 2 показано распределение атомных рядов, в случае одиночных вакансий, их объединение в дивакансию и образование комплекса.
Как видно из рис. 2, при образовании комплекса межузельный атом и три вакансии вблизи него наблюдается деформация рядов по сравнению с их идеальным кристаллогеометрическим распределением.
а) двойная дислокационная петля; б) дислокационная петля; в) дислокационный диполь Рис. 2. Картина распределения атомных рядов вблизи комплекса, состоящего из трёх вакансий и межузельного атома
Последнее обстоятельство демонстрирует график радиального распределения атомов по координационным сферам, как
показано на рис. 3. При образовании комплекса линии распределения атомов по координационным сферам размываются.
Рис. 3. Диаграмма радиального распределения атомов по координационным сферам
Компьютерный эксперимент показал, что комплексы, состоящие из вакансии в узле Au, двух вакансий в узлах Cu и внедрённого атома Au сохраняются вплоть до температуры 850К. В процессе перемещения комплекса создаются обширные области разупорядочения, большие, по сравнению с одиночной вакансией и наличием точечного дефекта замещения. При наличии одной вакансии доля разупорядоченной фазы составила 5,82%, тогда как при наличии комплекса доля разупорядочённой фазы увеличилась до 8,39%. Более быстро разрушаются комплексы, состоящие из вакансий в узлах Cu и внедрённого атома Cu.
Как показали результаты исследования, температура стабильности стартового комплекса, состоящего из одной вакансии в узле Au, двух вакансий в узлах Cu и внедренного атома Au при деформации всестороннего сжатия, соответствующей 2,6% повышается до 1450К. При 1500К комплекс распадается, образуется пара одиночных вакансий, которые вносят в процесс разупорядочения независимые вклады, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Фрагмент расчетной ячейки при 1500К
Следует отметить, что при такой температуре вновь возникает целая система конкурирующих механизмов диффузии, включающих кольцевой механизм перемещения атомов, краудионный и механизм расщепления комплексов вакансий, создаваемый за счёт термоактивируемых коллективных смещений атомов. При введении деформации всестороннего растяжения 1,03% температура стабильности комплекса, состоящего из одной вакансии в узле Au, двух вакансий в узлах Cu и внедренного атома Au снижается до 10К, повидимому, при данном виде деформации подобный комплекс не должен существовать.
При деформации всестороннего сжатия комплексы сохраняются вплоть до температуры, превышающей Тпл., при деформации всестороннего растяжения комплексы разрушаются при более низких температурах. В таблице 2 приведена температура распада комплексов.
Таблица 2. Температура распада комплексов
Как видно из таблицы 2, при а/а = 2,6% комплексы остаются стабильными, при а/а = 0% температура распада комплексов находится в интервале температур 750-900К, при а/а = 1,03% комплексы распадаются при более низких температурах 10 К и 100К. По-видимому, это связано с наличием свободного объёма в расчётной ячейки. При деформации всестороннего сжатия происходит уменьшение свободного объема в кристалле, в результате чего уменьшается подвижность атомов, и комплексы остаются стабильными.
Таким образом, из полученных результатов видно, что комплексы из трёх близкорасположенных вакансий и межузельного атома в сплаве Cu3Au вносят вклад в термоактивирумый диффузионный процесс в интервалах температур их существования от 10К до 900К. В температурных интервалах стабильности данный комплекс, по сравнению с другими точечными дефектами, такими,. как вакансия или точечный дефект замещения вносит наибольший вклад в процесс разупорядочения сплава Cu3Au, вследствие его высокой подвижности. Для их образования необходимо наличие пар близкорасположенных вакансий, в интервале соседства от первого до пятого. Причём, температура их образования растёт с увеличением расстояния между парами вакансий. Очевидно, что при этом уменьшаются температурные интервалы существования таких комплексов.
ЛИТЕРАТУРА
- Ермаков С.С.Физика металлов и дефекты кристаллического строения. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1989. 280 с.
- Структурно-фазовые состояния и свойства металлических систем / Под общ. Ред. А.И. Потекаева. Томск: Изд-во НТЛ, 2004. 356 с.
- Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть I. Дефекты решётки: Учебник для вузов. М.: МИСИС, 1999. 384 с.
- Дудник Е.А., Дудник В.Г., Дёмина И.А.,Скаков М.К., Старостенков М.Д. Исследование стадий разупорядочения в двумерном кристалле сверхструктуры L12 в зависимости от концентрации вакансий. Сравнительный анализ сплавов Cu3Au и Ni3Al. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. Барнаул. 2004. №1. С. 183-188.
- Полетаев, Г.М. Моделирование методом молекулярной динамики структурноэнергетических превращений в двумерных металлах и сплавах (MD2). Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2008610486 от 25.01.2008 г.
- Старостенков М.Д., Дудник Е.А. Классификация точечных дефектов и их комплексов в случае двумерной гексагональной кристаллической решетки. Часть 1. Статистическая модель структуры и энергии образования точечных дефектов и их комплексов. // Препринт. Барнаул: Изд-во АлГТУ, 2002. 40 с.