МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ AL/CU*
DOI:
https://doi.org/10.22213/2410-9304-2019-3-4-48-54Ключевые слова:
деформация, моделирование, молекулярная динамика, потенциал погруженного атома, дефекты, нанокомпозиты, дислокации, механические характеристикиАннотация
Цель данной работы – провести молекулярно-динамическое моделирование одноосного растяжения охлажденного композиции Al/Cu. Для проведения расчетов использовался программный комплекс LAMMPS, включающий в себя классический код молекулярной динамики. Для визуализации использовалась программа Ovito, имеющая большое количество функций, что предоставляет возможность пользователю тщательно исследовать полученные результаты. Для описания межатомного взаимодействия в нанокомпозите Al/Cu использовался потенциал погруженного атома EAM. Выбор потенциала обусловлен тем, что он адекватно описывает и воспроизводит свойства широкого класса материалов, в том числе металлов, полупроводников и сплавов. Моделирование осуществлялось в два этапа. На первом образец, состоящий из двух кристаллитов алюминия и меди в форме параллелепипедов, соединенных вдоль одной из сводных границ, размещался в расчетной области и охлаждался при постоянном давлении. Охлаждение осуществлялось для стабилизации наносистемы. На втором этапе, соответствующем деформации, температура и давление менялись в соответствии с протекающими физическими процессами. Для управления температурой и давлением на начальной стадии охлаждения использовался алгоритм термостата и баростата Нозе – Гувера. В работе продемонстрирован характер распределения продольных напряжений по всему объему кристалла в процессе растяжения. При достижении образцом предела упругости наблюдалось зарождение дефектов кристаллической решетки и распространение их по кристаллу в виде сдвигов и поворотов атомов в кристаллических плоскостях. Определены области зарождения пластических деформаций. Максимальное разрушение материала происходило по границе раздела. С помощью молекулярно-динамического моделирования были динамически исследованы параметры композиции Al/Cu (деформация, температура, механическое напряжение). Проведено сопоставление характеристик образца в процессе деформации. В условиях нагружения в материале реализуется множество процессов, включающих в себя зарождение дефектов, упругую и пластическую деформацию, генерацию повреждений с атомными перестройками.Библиографические ссылки
Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей / С. В. Панин, А. В. Коваль, Г. В. Трусова, Ю. И. Почивалов, О. В. Сизова // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3, № 2. С. 99–115.
Физическая мезомеханика и молекулярно-динамическое моделирование / И. Ф. Головнев, Е. И. Головнева, А. А. Конев, В. М. Фомин // Физическая мезомеханика. 1998. №. 2. С. 21–33.
Скворцов Ю. В. Механика композиционных материалов: учеб.-метод. пособие. Самара : СГАУ, 2013. 94 с.
Влияние микроструктуры материала на динамическую пластичность и прочность: молекулярно–динамическое моделирование / П. А. Жиляев, А. Ю. Куксин, Г. Э. Норман, С. В. Стариков, В. В. Стегайлов, А. В. Янилкин // Физико-химическая кинетика в газовой механике. 2010. Т. 9, № 1. С. 104–109.
Болеста, А. В., Головнев И. Ф., Фомин В. М. Молекулярно-динамическое моделирование квазистатического растяжения композиции AL/Ni вдоль границы раздела // Физическая мезомеханика. 2002. № 4. С. 15–21.
Канель Г. И., Фортов В. Е., Разоренов С. В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177, № 8. С. 809–830.
Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М. : Наука, 2001. 478 с.
Панин В. Е., Елсукова Т. Ф., Гриняев Ю. В. Механизм влияния величины зерна на сопротивление деформированию поликристаллов в концепции структурных уровней деформации твёрдых тел. Часть I. Необходимость учета мезоскопических структурных уровней деформации при анализе уравнения Холла – Петча // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6, № 3. С. 63–74.
Persson B.N.J., Bucher F., Chiaia B. Elastic contact between randomly rough surfaces: comparison of theory with numerical results // Phys. Rev. 2002. V. B65, Issue 18. P. 184106.1–7.
Iordanoff I., Berthier Y. First steps for a rheological model for the solid third body // Tribology Series. 1999. Vol. 36. Pp. 551-559.
Применение метода динамики частиц для описания высокоскоростного разрушения твердых тел / А. М. Кривцов, И. Б. Волковец, П. В. Ткачев, В. А. Цаплин // Математика, механика и информатика – 2002 : тр. Всерос. конф. 2002. C. 361–377.
Веденеев С. И. Квантовые осцилляции в трёх-мерных топологических изоляторах // Успехи физических наук. 2017. № 187. С. 411–429.
Бег Ф., Пужоль П., Рамазашвили Р. Идентификация двумерных антиферромагнитных топологических изоляторов класса Z2 // ЖЭТФ. 2018. Т. 153, вып. 1. С. 108–126.
Vakhrushev A.V., Fedotov A. Y., Shushkov A. A. Calculation of the Elastic Parameters of Composite Materials Based on Nanoparticles Using Multilevel Models // Nanostructures, Nanomaterials, and Nanotechnologies to Nanoindustry. New Jersey: Apple Academic Press, 2014. Chapter 4. P. 51-70.
Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A. Modeling of processes of composite nanoparticle formation by the molecular dynamics technique. Part 1. Structure of composite nanoparticles // Nanomechanics Science and Technology. An International Journal. 2011. Vol. 2, Issue 1. Pp. 9-38.
Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A. Modeling of processes of composite nanoparticle formation by the molecular dynamics technique. Part 2. Probabilistic laws of nanoparticle characteristics // Na-nomechanics Science and Technology. An International Journal. 2011. Vol. 2, Issue 1. Pp. 39-54.
Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик нанобъектов и композиционных материалов на их основе / А. В. Вахрушев, А. Ю. Федотов, А. А. Вахрушев, А. А. Шушков, А. В. Шушков // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 4. С. 486–495.
Вахрушев А. В., Федотов А. Ю. Исследование вероятностных законов распределения структурных характеристик наночастиц, моделируемых методом молекулярной динамики // Вычислительная механика сплошных сред. 2009. Т. 2, № 2. С. 14–21.
Daw M. S., Baskes M. I. Embedded–Atom Method: Derivation and Application to Impurities, Surfaces, and Other Defects in Metals // Physical Review B. 1984. Vol. 29, Issue 12. Pp. 6443–6453.
Foiles S. M., Baskes M. I., Daw M. S. Embedded - atom method function for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33, Issue 13. Pp. 7983-7991.
Hoover W. Canonical Dynamics: Equilibrium Phase–Space Distributions // Physical Review A. 1985. Vol. 31, Issue 3. Pp. 1695-1697.