Введение к работе
Актуальность темы. На протяжении последних сорока лет значительные успехи были достигнуты на пути разработки технологий синтеза, изучения свойств и применения металлических стекол (МС). Фундаментальные модельные представления о структуре ближнего порядка в расположении атомов в расплавах и МС связаны с именами Бернала, Финнея, Гаскела и др. Однако закономерности структурной организации металлических расплавов и стекол до сих пор остаются ключевыми проблемами физики неупорядоченных систем. Не раскрыты механизмы перестройки атомной структуры при переходе расплав-стекло, не выработаны подходы к анализу дальнего (или промежуточного) порядка в расположении структурных единиц.
В последнее время получены экспериментальные свидетельства наличия ккосаэдрической симметрии в расплавах металлов. Появились сообщения об определяющей роли икосаэдров в формировании металлических стекол. Показано, что в основе структурной перестройки расплава при стекловании чистых металлов лежит процесс образования перколяционного кластера из контактирующих и взаимопроникающих икосаэдров, в вершинах и центрах которых расположены атомы. Икосаэдрический ближний порядок был обнаружен и в двухкомпонентном металлическом стекле Ni-Ag, полученном конденсацией из газовой фазы на охлажденную кремниевую подложку.
Фундаментальная идея об определяющей роли перколяционного перехода при стекловании, впервые сформулированная в рамках модели свободного объема, позволила существенно продвинуться в раскрытии закономерностей атомной перестройки в процессе самоорганизации аморфных материалов вблизи температуры стеклования. Однако структура фрактальных кластеров, продиктованная физикой процессов стеклования, остается нераскрытой и является предметом самостоятельного изучения.
Ограниченные возможности инструментальных методов исследования не позволяют ответить на вопрос о закономерностях самоорганизации икосаэдрических структурных элементов и их перестройки в процессе стеклования. В этой связи большие возможности раскрываются на пути постановки компьютерного эксперимента в рамках метода молекулярной динамики (МД), который позволяет анализировать пространственно-временные срезы конденсированной среды на всех этапах ее эволюции.
Отсутствие трансляционной симметрии в перколяционном кластере вызывает трудности анализа его атомной структуры. Здесь необходим подход, который был бы основан на учете типа сопряжения между икосаэдрами и числа таких сопряжений для каждого икосаэдра. В настоящей работе на основе статистико-геометрического анализа взаимного расположения икосаэдров в модели металлического стекла Ni60Ag4o представлены результаты, раскрывающие некоторые закономерности структурной организации
перколяционного кластера, а также морфологию и размерные характеристики его субструктурных элементов.
Работа выполнена на кафедре материаловедения и физики металлов ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" рамках программы гос. бюджетной НИР№ ГБ01.33 "Моделирование и исследование структурных превращений физико-механических свойств новых многокомпонентных материалов и их применение в производстве и учебном процессе."
Цели и задачи работы. В рамках метода молекулярной динамики установить закономерности структурной организации металлического стекла двухкомпонентной системы Ni-Ag в процессе закалки из жидкого состояния.
В соответствие с целью в работе были поставлены следующие задачи:
— создать модель расплава двухкомпонентной системы Ni«rAg4o;
-провести компьютерный эксперимент закалки модели методом
молекулярной динамики;
методом статистико-геометрического анализа изучить закономерности локального атомного упорядочения сплава в процессе закалки;
провести кластерный анализ на основе координационных многогранников, несовместимых с трансляционной симметрией;
изучить морфологию атомных структурных образований, лежащих в основе формирования металлического стекла.
Научная новизна работы. Получены данные о структурной перестройке двухкомпонентного сплава Ni60Ag4o в процессе закалки из жидкого состояния. Показано, что в основе стабилизации аморфного состояния лежит формирование перколяционного кластера из взаимопроникающих и контактирующих между собой икосаэдров, в центрах которых расположены меньшие по размеру атомы никеля.
Обнаружено, что перколяционный кластер из взаимопроникающих и контактирующих между собой икосаэдров представляет собой конгломерат плотноупакованных политетраэдрических нанокластеров-квазикристаллов, в построении которых задействовано более половины атомов.
Предложена модель структурной организации двухкомпонентных металлических сплавов в процессе стеклования, основанная на представлениях о зарождении и росте политетраэдрических нанокластеров-квазикристаллов, их столкновениях с образованием перколяционного кластера.
Показано, что нанокластеры-квазикристаллы представляют собой преимущественно разветвленные цепочки взаимопроникающих икосаэдров, а также отдельные икосаэдры.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты статистико-геометрического и кластерного анализа атомных структур Ni60Ag4o в процессе формирования металлического стекла при закалке, а также изучение морфологии структурных единиц перколяционного кластера, образованного взаимопроникающими и контактирующими между
собой икосаэдрами, раскрывают фундаментальные закономерности структурной организации двухкомпонентных металлических систем в жидком и в твердом аморфном состоянии, а также эволюция в процессе стеклования. Полученная информация об организации атомной структуры МС позволит прогнозировать результаты проводимых экспериментальных исследований двухкомпонентных систем типа металл-металл.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Доминирующий рост икосаэдрических координационных многогранников в процессе закалки сплава Ni6oAg4o.
-
Формирование в процессе закалки расплава системы Ni6oAg4o перколяцнонного кластера, образованного взаимопроникающими и контактирующими между собой икосаэдрами, как фундаментальной основы структурной организации металлического стекла.
-
Выявленные морфологические признаки икосаэдрических нанокластсров и их распределение в перколяциошюм кластере.
-
Предлагаемая модель формирования перколяцнонного кластера, образованного взаимопроникающими и контактирующими между собой икосаэдрами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: VI Всероссийской школе-конференции "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалов)" (Воронеж, 2007); Международной научно-практической конференции "Молодежь и наука: реальность и будущее" (Невинномысск, 2008); Международной молодежной научной конференции "XXXIV Гагаринские чтения" (Москва, 2008); VIII Международной научной конференции "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии" (Кисловодск, 2008); XII Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Екатеринбург, 2008); V Международной научной конференции "Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологии, техники и медицины" (Иваново, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,4,5] построение компьютерной модели закалки расплава и анализ полученных данных; [3,6-8] построение и анализ кластерной модели аморфного сплава.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы, содержащего 146 наименований. Основная часть работы изложена на 99 страницах и содержит 21 рисунок и 1 таблицу.
