Введение к работе
Актуальность темы. Многие важные физические и химические процессы, такие как образование тренинг, адсорбция-, сегрегация, протекают на поверхностях кристаллических твердых тел. Исследование физических свойств поверхностей металлоз и сплавов играет важную роль в пошшаїши этих процессов. Одной из наиболее важных термодинамической характеристик поверхности является поверхностная энергия а. Однако, даже в случае чистых металлов, экспериментальное измерение а является: сложной задачей. Из-за отсутствия з настоящее время экспериментальных работ по определению величины <г сплавов теоретические исследования ос гаются пока единственным способом получения информации о величине и ашпоіропіш поверхностной энергии. Однако, теоретическое исследование даже такой простой системы, как поверхность раздела кристалл-вакуум наталкивается на ряд трудностей, принципиально отсутствующих при исследовании объемных кристаллов: отсутствие трансляционной симметрии по крайней мере в направления перпендикулярном поверхности, Солее низкая по сравнению с объемом точечная симметрия, сильная неоднородность плотности электронов. Это приводит к тому, что первопринцишше методы расчета оказываются практически трудиоприменимы при изучении физических процессов па поверхности. В данной работе для расчета величины <т металлов и сплавов используется метод модельного функционала электронной плотности.
Цель работы. В рамках единой схєї.гьі разработать подход к расчету поверхностной энергии как простых, так и переходных металлов, а также сплавов на их основе, с учетом различной ориентации поверхности. В работе были поставлены следующие задачи:
-
В рамках метода МФЭП разработать методику расчета поверхностной энергии кристаллических металлов и упорядоченных бинарных сплавов.
-
Создать пакет программ для расчета поверхностной энерпш хрл-сталлїгческнх металлов и упорядоченных сплавов с учетом различной кристаллической структуры и различной ориентации поверхности.
-
Оценить влхшше релакеащпг электронной плотности на поверхно-
ста чистых ГПК металлов A!,Nin Си на величину и анизотропию поверхностной энергии.
-
Провести расчет поверхностной энергии чистых металлов At, Ті, Ni и Си в ГЦК и ОЦК структурах, а также упорядоченных сплавов ЯШ, CvAl, NiTi со структурой В2 и Ni3Al со структурой Llj. Для исследования ориентационной зависимости поверхностной энергии распет провести для граней (Ш), (НО) и (100).
-
На осноле полученных результатов оцепить влияние на Галичину поверхностной энергии оОъемных термодинамических свойств металлов и сплавов. Сравнить полученные данные о величине поверхностной энергии с известными в литературе полуфеноменоло-гнческими оденками.
Научная новизна. Впервые в диссертационной работе получены следующие результаты:
В рамках одного метода проведены расчеты поверхностной энергии (7 ряда металлов для ГЦК и ОЦК кристаллических структур. Показано, что величина а слабо зависит от типа структуры. Анизотропия а определяется кристаллической структурой и не зависит от типа металла.
« Проведены расчеты а для упорядоченных бинарных сплавов со .структурами J52 и 1. Показа :о, что величина поверхностной энергии тесно связана с объемными термодинамическими свойствами упорядоченных сплавов и неплохо согласуется с полуэмпи-рнческам правилом Миедемы, полученным для чистых металлов.
в Показано, что анизотропия поверхностной энергии как для чистых металлов, іак и для упорядоченных сплавов невелика и не превышает 15%. Однако в обідам случае, анизотропия о сплавов несколько отличается от анизотропии а чистых металлов, что связано с дополнительными нарушениями симметрии на поверхности упорядоченного сплава, вследствие наличия атомов разного сорта. В первую очередь это относится к структуре В2, которая реализуется на основе ОЦК решетки.
Научная и практическая деішо(ш» диссертационной работы состоит в следующем: .-.'
а.) В рамках метола М<ЮП разработана методика расчета поверхностной энергии кристаллических металлов и упорядоченных сплавов с учетом различной ориентации поверхности. Создан комплекс программ для расчета величины а чистых ОЦК И ГЦК металлов, а также упорядоченных сплавов со структурой D2 и Ыг для трех наиболее плотноупакованкых граней (100), (110) и (111). Комплекс программ может быть использован для расчета велпчн-ны <т неупорядоченных сплавов.
б.) Показано, что при полиморфных превращениях анизотропия поверхностной энергии изменяется в соответствии с типом кристаллической структуры. Величина а при этом изменяется слабо. Сверхструктура упорядоченных сплавов оказывает более слабое влияние на анизотропию <т по сравнению с тжппы кристаллической репэттки.
в.) Показано, что поверхностная энергия сплавов не является средней концентрационной величиной а чистых металлов. Отклонение <т сплава от средней концентрационной величины тем больше, чем больше энерсия образования сплава и чем больше равновесный объем сплава отличается от объема, рассчитанного по правилу Зека.
г.) Неплохой оценкой для величины с сплавов, как и в случае чистых металлов, является полуэмпирическая формула Миедемы, предложенная для оценки сг чистих металлов из знання энергии сублимации я равновесного объема в расчете на атом. На защиту выносятся:
-
Методика расчета поверхностной энергии кристаллических металлов н упорядоченных бинарных сплавов в рамках гіетода модельного функционала электронной плотности.
-
Результаты расчета поверхностной энергии к ее анизотропии для поверхностей (Ш), (ПО) и (100) чистых металлов Al, Ті, Ni и Си в ГЦК и ОЦК кристаллических структурах.
-
Результаты расчета поверхностной энергии я се анизотропии даа поверхностей (Ш), (НО) и (100) упорядоченных сплавов NiAl, CuAl, NiTi со структурой В2 я Ni$Al со структурой Llj.
4. Сравнительный анализ шіиішкх: термодинамических свойств объемных металлов и упорядоченных сплавов на величину поверх-постной .терши.
Апробации работы. Основные результаты диссертации докладывались к обсуждались на:
Второй всесоюзной конференции по квантовой химии твердого тела { Лг.елупе, 1885 г. ), Международной конференции "Physics of transition metals" ( Киев, 1988 г. ), Всесоюзной конференции иДовсрхность"69" { Черноголовка, 1989 г. ).
Дубликации.Основные результаты диссертации опубликованы в О печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура к объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 100 страниц машинописного текста, S рисунков, Ш таблиц и библиографический список из 10G наименовании.
