Никель, как известно, является основой жаропрочных сплавов

Л.В. СЕЛЕЗНЕВА
Научный руководитель – А.В. НАЗАРОВ, к.ф.-м.н., доцент
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ
БАРЬЕРОВ В ГЦК- И ОЦК-СТРУКТУРАХ С УЧЕТОМ
ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА И ВАКАНСИИ.
В данной работе были рассмотрены системы Ni-H и Fe-H. Исследование проводилось методами компьютерного моделирования. Изучено влияние взаимодействия атома водорода с вакансией на высоты потенциальных барьеров для
атома металла и водорода.
В настоящее время возрастает интерес к вопросу о поведении водорода в металлах, в том числе и физики процесса. С одной стороны, это обусловлено практическим интересом в использовании системы металлводород (водородное топливо). С другой стороны, это связано с нежелательным воздействием водорода на свойства материалов (охрупчивание,
коррозия, распространение трещин) из-за малой растворимости водорода
в металлах.
Одними из методов исследования взаимодействия водорода с металлами могут быть методы компьютерного моделирования (МКМ). Применение МКМ позволяет учесть корреляцию в движении дефектов, что
необходимо вследствие наличия структурных несовершенств в реальных
кристаллах и взаимодействия между дефектами. Данную задачу вполне
можно решить МКМ, например, с помощью комбинирования метода молекулярной статики (ММС) и метода Монте-Карло (ММК) [1]. При этом
задаются потенциалы взаимодействия между атомами исследуемой системы, рассчитываются величины потенциальных барьеров, которые
необходимо преодолеть атомам при переходе из одного равновесного состоянии в другое, из них находят вероятности данных переходов в зависимости от расположения взаимодействующих дефектов и направления
перехода.
В данной работе взаимодействие между атомами рассматриваемых систем описывается эмпирическими парными потенциалами межатомного
взаимодействия Морзе (для описания взаимодействия между атомами в
никеле) [2]:
U (rij) = E0*[exp(-2*α*(rij-r0)-2*exp(-α*(rij-r0)],
(1)
Джонсона (для описания взаимодействия между атомами в α-железе) [3]:
U (rij) =A1*(rij- A2)3+ A3*rij- A4
(2)
и модельными потенциалами (МПА, т.е. метод погруженного атома) для
описания взаимодействия между атомами водорода и металла в α-железе
и в никеле [4]:
U(rij) = Σk ak*(rak-rij)3*H(rak-rij),
(3)
φ(rij) = Σk bk*(rbk-rij)3*H(rbk-rij),
(4)
где U – функция парного потенциала, E0, α, r0, A1, A2, A3, A4, rak, ak, rbk, bk константы отличные для различных металлических систем, rij – расстояние между атомами i и j, H – функция Хевисайда (ступенчатая единичная
функция).
Моделируемый кристаллит описывается трехмерным массивом координат узлов кристаллической решетки, соответствующих ГЦК- или ОЦКструктуре и являющихся равновесными позициями для расположения
атомов системы взаимодействующих друг с другом по приведенным выше законам. Далее рассчитываются потенциальные барьеры для перехода
атома Ni и атома Fe в вакансию при различном расположении атома H по
отношению к вакансии. Например, значение высоты потенциального барьера при переходе атома Fe в вакансию 0,67 эВ (и 0,81 эВ для Ni) в отсутствие атома водорода и от 0,53 до 1,05 при различном расположении
атома водорода по отношению к вакансии. Для того, чтобы можно было
получить наиболее полную картину описания всевозможных конфигураций исследуемого типа дефекта и сделать соответствующие выводы о поведении данного дефекта и влиянии на него внешних условий, требуется
провести достаточно большое количество компьютерных экспериментов.
Расчеты показывают, что в решетке Fe атому водорода энергетически
выгодно располагаться в тетраэдрической (Т) позиции (для Ni – октаэдрическая позиция). Если атом водорода попадает в вакансию, то атом Fe
вытесняет его при скачке в вакантный узел и при этом атом водорода переходит в Т-позицию. Это похоже на поведение атомов Fe и C в системе
Fe-C, но атом углерода расположен в О-позиции и имеет расщепленную
конфигурацию с вакансией.
Список литературы
1. L.V.Selezneva, A.V.Nazarov, Defect and Dif. Forum, vols.237-240, p.1275,Switzerland (2005)
2. P. Wynblatt: Jour. Phys. And Chem. of Solids, Vol. 29, № 2 (1968), p. 215.
3. J.R. Beeler, Jr.: Interatomic Potent. And Simul. Lattice Defects, Battelle Inst., Seatle, WashHarrison Hot Springs, 1971, p. 319.
4. M. Ruda, D. Farkas, J. Abriata: Phys. Rev. B, Vol. 54, № 14 (1996), р. 9765.