Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в технике широкое применение получили жидкие и аморфные металлы и сплавы. В связи с этим возрос интерес к структуре этих некристаллических систем. В основном информацию о ней получают из опытов по дифракционному рассеянию рентгеновских лучей или пучков нейтронов. В этих опытах измеряют структур шй фактор, фурье-образом которого является парная корреляционная функция (ПКФ). Однако эта информация усреднена как по угловым координатам, так и по объему системы. Поэтому для анализа локальных особенностей структуры прибегают к различным модельным представлениям. Наибольшие успехи здесь были достигнуты на пути компьютерного моделирования некристаллических систем.
Для построения компьютерных моделей традиционными методами (Монте-Карло или молекулярной динамики) необходимо знание потенциалов межчастичного взаимодействия. Но нахождение последних является очень сложной задачей, которая в настоящее время еще весьма далека от однозначного решения. Поэтому для анализа уже полученных экспериментальных данных недавно были разработаны методы построения моделей, 'для реализации которых не требуется предварительного знания о потенциалах межчастичного взаимодействия.
Особенно перспективным такой подход выглядит в случае двух-компонентных систем, для описания структуры которых требуется зна-„ние по крайней мере трех парциальных парных корреляционных функций (ППКФ). Из опыта же получают так называемые суммарные парные корреляционные функции (СПКФ),- которые усреднены не только по объему и угловым координатам, но и по корреляциям различных сортов атомов системы. Их очень трудно анализировать без привлечения
.-4-модвльшх представлений, и метода компьютерного моделирования по дифракционным данным могли бы значительно расширить представления об особенностях ближнего порядка в рассматриваемых объектах.
: Следует отметить, что до сих пор практически не рассматривался ключевой для указанного подхода вопрос о том, насколько однозначно определяется структура некристаллической системы с помощью задания плотности и ПКФ. Для двухкомпонентных систем до сих пор неясно, какой экспериментальной информацией достаточно располагать для построения адекватных моделей. Наконец, существующие методы построения компьютерных моделей по дифракционным данным не позволяют предсказывать структурные характеристики систем, для которых таких данных (или их достаточного количества) еще нет.
Цель работы. Целью настоящей работы являлась разработка алгоритмов компьютерного моделирования структуры некристаллических систем по дифракционным данным, исследование вопросов об адекватности построенных таким образом моделей, о температурной и концентрационной зависимостях эффективных парных потенциалов.
Научная новизна и основные полокения, выносимые на защиту.
1. Разработан силовой алгоритм (СА) построения компьютерных
моделей по экспериментальным ПКФ. Алгоритм обобщается на случай
многокомпонентных систем и может быть использован для моделирова
ния структуры исследуемого сплава как по ППКФ, так и по СПКФ.
2. Установлено, что для топологически плотных аморфных сплавов
задание плотности и всех ППКФ однозначно определяет другие струк
турные характеристики. В случае жидких систем модели, построенные
с помощью СА, являются более разупорядоченными, чем целевые. Од-
- 5 -нако эти различия невелики, и построенные модели могут быть использованы как хорошие приближения структур целевых систем;
3. С помощью СА по экспериментальным ІШКФ построена компьютерная
модель аморфного сплава Ni^B,,,. Анализ структуры построенной мо
дели позволил установить разрушение в аморфном сплаве цепочек
-В-В-В-, имевдихся в кристаллическом аналоге Ni2B, наличие дово
льно; крупных пор, являющихся вакансиями для атомов бора, и выя^
вить другие локальные особенности структуры.
4. Предложен новый способ решения точного уравнения
Борна-Грина-БоголюСова (БГБ) (без суперпозиционного приближения
Кирквуда) относительно парного потенциала с помощью компьютерных
моделей. Показано, что это уравнение справедливо и. для аморфных
систем. Разработана итерационная схема построения компьютерных
моделей, основанная на уравнении БГБ и методе молекулярной дина
мики. Указанная методика распространена на случай построения мо
делей двухкомпонентных аморфных и жидких сплавов по ППКФ и СПКФ.
5. Построены компьютерные модели, рассчитаны эффективные . парные
потенциалы и коэффициенты самодиффузии, а также исследованы стру
ктуры жидких Sn, РЪ, Ga.'Ag и N1. Разработанные алгоритмы позво
ляют с хорошей точностью предсказать коэффициенты самодиффузии.
Впервые разработан и применен к жидким Sn, ръ и Оа алгоритм рас
чета эффективных парных потенциалов, позволяющих моделировать
структуры жидких металлов в широком температурном интервале.
,6. Построены компьютерные модели жидкого сплава Ag7SpGeJ4i, рассчитаны эффективные парше потенциалы и коэффициенты самодиффузии. Проведен анализ структуры- этого сплава. Впервые получен набор эффективных парциальных парных потенциалов, который позволяет наилучшим образом описать структуры жидких Ag и A«7SPCej4i.
.-6-
7. Построена компьютерные модели аморфных сплавов и ни и NlejNbJ)t. Рассчитаны наборы эффективных парциальных парных потенциалов в каждом сплаве, а также впервые рассчитан такой набор по тенциалов, который позволяет наилучшим образом описать структуры обоих сплавов. На основе проведенного анализа построенных моделей сделаны вывода о том, что структура аморфного сплава Hi„,Nbst является более упорядоченной, чем структура аморфного сплава М44№5в, и что растворимость инертных газов в аморфном сплаве Ш44НЪав будет больше, чем в аморфном сплаве NieiNb„. Впервые рассчитан такой набор эффективных парных потенциалов, который позволяет описать структуры аморфного сплава кіллт>іШ и жидкого мі. а. Установлено, что знание одной СПКФ недостаточно для построения адекватной модели аморфного сплава. Предложенная в работе методика расшифровки структуры двухкомпонентных аморфных сплавов позволяет с удовлетворительной точностью по данным всего двух дифракционных экспериментов рассчитать все три ІШКФ и другие структурные характеристики.
Научное и' практическое значение работы. Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые эффективные алгоритмы построения компьютерных моделей по данным дифракционных экспериментов.1 С помощью этих моделей можно дать полное описание структуры исследуемой некристаллической системы, предсказать некоторые физические свойства (например, коэффициент самодаффузии в жидких системах). Для двухкомпонентных аморфных сплавов предложена методика расшифровки структуры по данным всего двух дифракционных экспериментов, что позволяет в ряде случаев обойтись без сложного и дорогого метода изотопного обогащения.
Апробация работы. Основные результаты были доложены на 5-ой
Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология,
свойства, применение", на конференции ncs-6 (Praha, 1994 г.) и на
научном семинаре "Метод молекулярной динамики" (Москва, 1994 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы из 85 наименований, 43 рисунков и 28 таблиц. Объем работы - 177 страниц.
