Исследование структурных превращений при стекловании никеля
Методом молекулярной динамики исследованы процессы плавления и затвердевания никеля в условиях быстрого охлаждения. В переохлаждённом жидком никеле идентифицированы кластерные образования кристаллических и некристаллических типов с повышенной плотностью. Показано, что объёмная доля кластеров растёт...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2015
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107293 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование структурных превращений при стекловании никеля / А.Б. Мельник, В.Я. Белошапка, В.К. Сульженко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 3. — С. 503-510. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107293 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мельник, А.Б. Белошапка, В.Я. Сульженко, В.К. 2016-10-17T15:49:50Z 2016-10-17T15:49:50Z 2015 Исследование структурных превращений при стекловании никеля / А.Б. Мельник, В.Я. Белошапка, В.К. Сульженко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 3. — С. 503-510. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 02.70.Ns, 61.20.Ja, 61.43.Dq, 61.43.Fs, 61.46.Bc, 64.60.qe, 64.70.dj, 64.70.Q- https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107293 Методом молекулярной динамики исследованы процессы плавления и затвердевания никеля в условиях быстрого охлаждения. В переохлаждённом жидком никеле идентифицированы кластерные образования кристаллических и некристаллических типов с повышенной плотностью. Показано, что объёмная доля кластеров растёт с понижением температуры и достигает порога протекания в момент стеклования. Методою молекулярної динаміки досліджено процеси топлення і твердіння ніклю в умовах швидкого охолодження. У переохолодженому рідкому ніклі ідентифіковано кластерні утворення кристалічних і некристалічних типів з підвищеною густиною. Показано, що об'ємна доля кластерів зростає зі зниженням температури і досягає порогу протікання в момент склування. The melting and solidification processes in nickel are investigated by means of the molecular dynamics method. Compacted clusters of crystalline and non-crystalline types are identified in supercooled liquid nickel. The volume fraction of clusters is increasing with temperature decreasing and reaches the percolation threshold at the glass transition. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Исследование структурных превращений при стекловании никеля Investigation of Structural Transformations at a Nickel Glass Transition Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля |
| spellingShingle |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля Мельник, А.Б. Белошапка, В.Я. Сульженко, В.К. |
| title_short |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля |
| title_full |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля |
| title_fullStr |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля |
| title_full_unstemmed |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля |
| title_sort |
исследование структурных превращений при стекловании никеля |
| author |
Мельник, А.Б. Белошапка, В.Я. Сульженко, В.К. |
| author_facet |
Мельник, А.Б. Белошапка, В.Я. Сульженко, В.К. |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Investigation of Structural Transformations at a Nickel Glass Transition |
| description |
Методом молекулярной динамики исследованы процессы плавления и затвердевания никеля в условиях быстрого охлаждения. В переохлаждённом жидком никеле идентифицированы кластерные образования кристаллических и некристаллических типов с повышенной плотностью. Показано, что объёмная доля кластеров растёт с понижением температуры и достигает порога протекания в момент стеклования.
Методою молекулярної динаміки досліджено процеси топлення і твердіння ніклю в умовах швидкого охолодження. У переохолодженому рідкому ніклі ідентифіковано кластерні утворення кристалічних і некристалічних типів з підвищеною густиною. Показано, що об'ємна доля кластерів зростає зі зниженням температури і досягає порогу протікання в момент склування.
The melting and solidification processes in nickel are investigated by means of the molecular dynamics method. Compacted clusters of crystalline and non-crystalline types are identified in supercooled liquid nickel. The volume fraction of clusters is increasing with temperature decreasing and reaches the percolation threshold at the glass transition.
|
| issn |
1816-5230 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107293 |
| citation_txt |
Исследование структурных превращений при стекловании никеля / А.Б. Мельник, В.Я. Белошапка, В.К. Сульженко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 3. — С. 503-510. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT melʹnikab issledovaniestrukturnyhprevraŝeniipristeklovaniinikelâ AT belošapkavâ issledovaniestrukturnyhprevraŝeniipristeklovaniinikelâ AT sulʹženkovk issledovaniestrukturnyhprevraŝeniipristeklovaniinikelâ AT melʹnikab investigationofstructuraltransformationsatanickelglasstransition AT belošapkavâ investigationofstructuraltransformationsatanickelglasstransition AT sulʹženkovk investigationofstructuraltransformationsatanickelglasstransition |
| first_indexed |
2025-11-25T22:42:44Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:42:44Z |
| _version_ |
1850569813818081280 |
| fulltext |
503
PACS numbers: 02.70.Ns, 61.20.Ja, 61.43.Dq, 61.43.Fs, 61.46.Bc, 64.60.qe, 64.70.dj, 64.70.Q-
Исследование структурных превращений при стекловании
никеля
А. Б. Мельник*, В. Я. Белошапка**, В. К. Сульженко*
*Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины,
бульв. Акад. Вернадского, 36,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
**Бердянский государственный педагогический университет,
ул. Шмидта, 4,
71100 Бердянск, Запорожская обл., Украина
Методом молекулярной динамики исследованы процессы плавления и
затвердевания никеля в условиях быстрого охлаждения. В переохла-
ждённом жидком никеле идентифицированы кластерные образования
кристаллических и некристаллических типов с повышенной плотно-
стью. Показано, что объёмная доля кластеров растёт с понижением
температуры и достигает порога протекания в момент стеклования.
Методою молекулярної динаміки досліджено процеси топлення і твер-
діння ніклю в умовах швидкого охолодження. У переохолодженому
рідкому ніклі ідентифіковано кластерні утворення кристалічних і не-
кристалічних типів з підвищеною густиною. Показано, що об'ємна до-
ля кластерів зростає зі зниженням температури і досягає порогу проті-
кання в момент склування.
The melting and solidification processes in nickel are investigated by
means of the molecular dynamics method. Compacted clusters of crystal-
line and non-crystalline types are identified in supercooled liquid nickel.
The volume fraction of clusters is increasing with temperature decreasing
and reaches the percolation threshold at the glass transition.
Ключевые слова: жидкость, аморфное состояние, стеклование, кластер,
молекулярная динамика.
Ключові слова: рідина, аморфний стан, склування, кластер, молекуля-
рна динаміка.
Key words: liquid, amorphous state, glass transition, cluster, molecular
dynamics.
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2015, т. 13, № 3, сс. 503–510
2015 ІМÔ (Інститут металофізики
ім. Ã. В. Курдюмова ÍАÍ України)
Íадруковано в Україні.
Ôотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
504 А. Б. МЕЛЬÍИК, В. Я. БЕЛОШАПКА, В. К. СУЛЬЖЕÍКО
(Получено 6 августа 2015 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Атомная структура металлических стёкол связана со строением
расплава, из которого металлические стекла получают методом
быстрого охлаждения.
Вязкость переохлаждённой жидкости быстро увеличивается с
понижением температуры и переход в твёрдое состояние проис-
ходит без кристаллизации. Таким образом, металлические стекла
наследуют отсутствие топологического порядка, неоднородность
строения переохлаждённой жидкости и множественность типов
локального упорядочения атомов [1, 2].
Особенности изменения структуры переохлаждённой жидкости
и металлического стекла вблизи температуры стеклования были
исследованы методом молекулярной динамики (МД) на примере
никеля.
2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для описания межатомного взаимодействия в процессе МД моде-
лирования использовался метод погруженного атома [3], в кото-
ром полная потенциальная энергия системы, состоящей из N
атомов, представляется в виде суммы энергий погружения и пар-
ного взаимодействия.
1 1
( ) ( )
N N N
i i ij ij
i i j i
U F r ;
( ).
i j ij
j i
f r
Энергия погружения Fi(i) атома i определяется как функция
суммарной электронной плотности i, которая наводится сосед-
ними атомами j в точке ri. Парное взаимодействие i-го и j-го ато-
мов задаётся потенциалом ij(rij), где rij — расстояние между ни-
ми. Значения функций F, f, для никеля взяты из [4].
Рассматривалась система, содержащая 4000 атомов в кубиче-
ской ячейке, на которую накладывались периодические гранич-
ные условия. Система находилась при постоянном давлении
p1000 Па. Постоянное давление обеспечивалось изменением
объёма ячейки согласно алгоритму [5]. В начальный момент при
T0 К атомы размещались в виде ÃЦК-решётки. Затем произво-
дилось нагревание системы до 4000 К и последующее охлаждение
до 0 К. Для изменения температуры использовалось масштабиро-
вание скоростей атомов. Моделирование проводилось с шагом по
времени 51016 с. Скорости масштабировались каждые 200 ша-
ИССЛЕДОВАÍИЕ СТРУКТУРÍЫХ ПРЕВРАЩЕÍИЙ ПРИ СТЕКЛОВАÍИИ ÍИКЕЛЯ 505
гов. Параметры системы анализировались с интервалом 800 ша-
гов. Íагрев и охлаждение осуществлялись со скоростью 41014
К/с.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Следует отметить, что структурные переходы, происходящие в
системе, зависят от скорости нагрева/охлаждения и количества
атомов в модели. Тем не менее, МД-моделирование позволяет
установить некоторые общие закономерности структурных пре-
вращений, происходящих в металлах.
Íа рисунках 1, 2 приведены средние значения плотности и по-
тенциальной энергии (на атом) в зависимости от температуры.
В процессе нагрева системы в исходном, кристаллическом, со-
стоянии плотность монотонно уменьшается, а энергия увеличива-
ется (участок A–B). Íа участке B–C наблюдается резкое измене-
ние характеристик, вызванное плавлением. Интервал C–D отве-
чает расплаву.
Íа кривых охлаждения наблюдается точка перегиба Е, кото-
рая соответствует переходу системы в стеклообразное состояние.
Температура перехода Tg определялась путём линейной аппрок-
симации графиков, со стороны высоких и низких температур.
Значение Tg, определённое по графику (T), составило 2154 К, а
по графику Ep(Т) — 2233 К.
Таким образом, на ветви охлаждения участок D–E соответ-
ствует жидкому состоянию, а E–F — стеклу.
Рис. 1. Зависимость атомной плотности от температуры T в процессе
нагрева и охлаждения никеля.1
506 А. Б. МЕЛЬÍИК, В. Я. БЕЛОШАПКА, В. К. СУЛЬЖЕÍКО
Рассмотрим эволюцию структурных состояний системы в про-
цессе охлаждения на ветви D–E–F. Система неоднородна по
плотности. Отмечаются компактные группы атомов (твёрдоподоб-
ные кластеры), плотность которых сравнима с плотностью кри-
сталлического твёрдого тела. Если определить объем, приходя-
щийся на атом в системе, как объем многогранника Вороного [6],
то критерием отнесения атома к твёрдоподобному кластеру слу-
жило не превышение его атомным объёмом порогового значения
V00,012285 нм3, равного объёму, приходящемуся на атом в
Рис. 2. Зависимость удельной потенциальной энергии на атом Ep от
температуры T в процессе нагрева и охлаждения никеля.2
Рис. 3. Зависимость объёмной доли твёрдоподобных кластеров от темпе-
ратуры T в процессе нагрева и охлаждения никеля.3
ИССЛЕДОВАÍИЕ СТРУКТУРÍЫХ ПРЕВРАЩЕÍИЙ ПРИ СТЕКЛОВАÍИИ ÍИКЕЛЯ 507
ÃЦК-решётке.
Íа рисунке 3 приведена температурная зависимость объёмной
доли твёрдоподобных кластеров в системе. С понижением темпе-
ратуры объёмная доля твёрдоподобных кластеров увеличивается,
и в момент стеклования (точка E на рис. 3) суммарный объем
твёрдоподобных кластеров начинает превышать 0,26 объёма си-
стемы. Это соответствует порогу протекания для случайной плот-
ной упаковки твёрдых сфер [7].
Íа рисунке 4, б, в приведены конфигурации атомов, относя-
щихся к твёрдоподобным кластерам, которые соответствуют рас-
плаву (3000 К) и стеклу (2000 К), а также система в кристалли-
ческом состоянии при 300 К (рис. 4, а). Видно, что в стекле кла-
стер пересекает границы ячейки и замыкается сам на себя.
В процессе нагрева и охлаждения наблюдалось изменение ло-
кального порядка, который анализировался по виду многогран-
ников Вороного (МВ). МВ описываются индексами (N3, N4, …),
которые отвечают количеству треугольных, четырёхугольных и
т.д. граней многогранника.
Кристаллическому состоянию (участок А–В) соответствовали
кластеры с искажённой тепловыми флуктуациями ÃЦК-
структурой (МВ (3, 6, 4); (3, 6, 5); (4, 4, 6); (4, 4, 7); (2, 8, 4); (2,
8, 2);(4, 4, 6); (4, 4, 7)).
В жидком состоянии доля ÃЦК-подобных кластеров уменьша-
лась с нагревом, при этом возрастала доля некристаллических
икосаэдрических (МВ (0, 0, 12)) и икосаэдроподобных (МВ (0, 1,
10, 2); (0, 0, 12, 2)) кластеров.
В стекле атомы, входящие в состав твёрдоподобных кластеров,
имели как кристаллическое, так и некристаллическое окруже-
ние, причём доля атомов с икосаэдрической координацией уве-
а б в
Рис. 4. Атомные конфигурации в твёрдоподобных кластерах системы и
в ÃЦК-кристалле: a — (T300 К, кристалл); б — (T3000 К, расплав);
в — (T2000 К, стекло).4
508 А. Б. МЕЛЬÍИК, В. Я. БЕЛОШАПКА, В. К. СУЛЬЖЕÍКО
личивалась с понижением температуры.
Следует отметить, что икосаэдрическая симметрия в располо-
жении атомов наблюдается, как в расплавах [8–12], так и в стёк-
лах [13–15]. Для кластеров небольшого размера (N300 атомов)
икосаэдрическая координация является энергетически предпо-
чтительной по сравнению с плотноупакованной кристаллической
[2]. Однако с увеличением размеров кластеров с икосаэдрической
координацией энергетический выигрыш уменьшается из-за
фрустрации, и кристаллический кластер может стать зародышем
кристаллизации.
Íаличие атомов с икосаэдрической координацией в твёрдопо-
добном кластере уменьшает вероятность образования кристалли-
ческого зародыша с размером больше критического и тем самым
блокирует кристаллизацию.
Ôормирование кластеров с икосаэдрическим ближним поряд-
ком наблюдалось при стекловании железа [14]. В нашем случае
протекающий твёрдоподобный кластер в стекле содержит как
кристаллические, так и некристаллические участки, что отража-
ет микрогетерогенный характер строения аморфной фазы нике-
ля.
4. ВЫВОДЫ
С помощью метода молекулярной динамики исследованы процес-
сы плавления и аморфизации никеля.
В жидком и аморфном состоянии идентифицированы кластеры
повышенной плотности с ÃЦК-подобной и икосаэдрической коор-
динацией.
Показано, что в момент стеклования в системе достигается по-
рог протекания путём формирования объединённого кластера,
включающего кристаллические и некристаллические участки.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. С. Бакай, Поликластерные аморфные тела (Харьков: Синтекс: 2013).
2. А. П. Шпак, А. Б. Мельник, Микронеоднородное строение
неупорядоченных металлических систем (Киев: Академпериодика:
2005).
3. M. S. Daw and M. I. Baskes, Phys. Rev. Lett., 50: 1285 (1983).
4. A. F. Voter and S. P. Chen, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 82: 175 (1987).
5. H. C. Andersen, J. Chem. Phys., 72: 2384 (1980).
6. В. А. Полухин, Í. А. Ватолин, Моделирование аморфных металлов
(Москва: Íаука: 1985).
7. M. J. Powell, Phys. Rev. B, 21: 3725 (1980).
8. H. Reichert, O. Klein, H. Dosch, M. Denk, V. Honkimäki, T. Lippmann, and
ИССЛЕДОВАÍИЕ СТРУКТУРÍЫХ ПРЕВРАЩЕÍИЙ ПРИ СТЕКЛОВАÍИИ ÍИКЕЛЯ 509
G. Reiter, Nature, 408: 839 (2000).
9. T. Schenk, D. Holland-Moritz, V. Simonet, R. Bellissent, and D. M. Herlach,
Phys. Rev. Lett., 89: 075507 (2002).
10. D. Holland-Moritz, T. Schenk, R. Bellissent, V. Simonet, K. Funakoshi,
J. M. Merino, T. Buslaps, and S. Reutzel, J. Non-Cryst. Sol., 47: 312 (2002).
11. A. Di Cicco, A. Trapananti, S. Faggioni, and A. Filipponi, Phys. Rev. Lett.,
91: 135505 (2003).
12. M. Celino, Eur. Phys. J., 196: 35 (2011).
13. A. Hirata, L. J. Kang, T. Fujita, B. Klumov, K. Matsue, M. Kotani,
A. R. Yavari, and M. W. Chen, Science, 341: 376 (2013).
14. А. В. Евтеев, А. Т. Косилов, Е. В. Левченко, ЖЭТФ, 126: 600 (2004).
15. E. Ma, Nature Materials, 14: 547 (2015).
REFERENCES
1. A. S. Bakai, Poliklasternyye Amorfnyye Tela (Kharkov: Sinteks: 2013) (in
Russian).
2. A. P. Shpak and A. B. Melnnik, Mikroneodnorodnoe Stroenie
Neuporyadochennykh Metallicheskikh Sistem (Kiev: Akademperiodika: 2005)
(in Russian).
3. M. S. Daw and M. I. Baskes, Phys. Rev. Lett., 50: 1285 (1983).
4. A. F. Voter and S. P. Chen, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 82: 175 (1987).
5. H. C. Andersen, J. Chem. Phys., 72: 2384 (1980).
6. V. A. Polukhin and N. A. Vatolin, Modelirovanie Amorfnykh Metallov
(Moscow: Nauka: 1985) (in Russian).
7. M. J. Powell, Phys. Rev. B, 21: 3725 (1980).
8. H. Reichert, O. Klein, H. Dosch, M. Denk, V. Honkimäki, T. Lippmann, and
G. Reiter, Nature, 408: 839 (2000).
9. T. Schenk, D. Holland-Moritz, V. Simonet, R. Bellissent, and D. M. Herlach,
Phys. Rev. Lett., 89: 075507 (2002).
10. D. Holland-Moritz, T. Schenk, R. Bellissent, V. Simonet, K. Funakoshi,
J. M. Merino, T. Buslaps, and S. Reutzel, J. Non-Cryst. Sol., 47: 312 (2002).
11. A. Di Cicco, A. Trapananti, S. Faggioni, and A. Filipponi, Phys. Rev. Lett.,
91: 135505 (2003).
12. M. Celino, Eur. Phys. J., 196: 35 (2011).
13. A. Hirata, L. J. Kang, T. Fujita, B. Klumov, K. Matsue, M. Kotani,
A. R. Yavari, and M. W. Chen, Science, 341: 376 (2013).
14. A. V. Evteev, A. T. Kosilov, and E. V. Levchenko, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 126:
600 (2004) (in Russian).
15. E. Ma, Nature Materials, 14: 547 (2015).
*G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physics,
National Academy of Sciences of Ukraine,
36 Academician Vernadsky Blvd,
UA-03680 Kyyiv-142, Ukraine
**Berdyansk State Pedagogical University,
4 Schmidt Str.,
UA-71100 Berdyansk, Zaporizhzhya Oblast’, Ukraine
1 Fig. 1. Temperature dependence of atomic density, , of Ni atoms at heating and cooling.
510 А. Б. МЕЛЬÍИК, В. Я. БЕЛОШАПКА, В. К. СУЛЬЖЕÍКО
2 Fig. 2. Temperature dependence of specific potential energy, Ep, of Ni atoms at heating and
cooling.
3 Fig. 3. Temperature dependence of volume fraction of solid-like atomic clusters at heating
and cooling.
4 Fig. 4. Atomic configurations in solid-like clusters and f.c.c. crystal: а—(T300 K, crys-
tal); б—(T3000 K, melt); в—(T2000 K, glass).
|