Dissertation
.pdfИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
На правах рукописи
Нагорных Иван Леонидович
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-ВОДОРОД ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ
01.04.17 – Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремального состояния вещества
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель Бурнышев Иван Николаевич
Ижевск – 2011
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ |
5 |
ВВЕДЕНИЕ |
6 |
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ |
|
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛАМИ |
16 |
1.1. Диаграмма состояния системы Fe-H |
16 |
1.2. Адсорбция и диффузия водорода в металлах |
17 |
1.3. Атомная декогезия в системах металл-водород |
23 |
1.4. Локализованная пластичность в системах |
|
металл-водород |
26 |
1.5. Выводы по главе 1 |
27 |
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ |
|
ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ МЕТАЛЛ-ВОДОРОД |
28 |
2.1. Определение межатомного взаимодействия в моделях |
28 |
2.1.1. Потенциалы парного взаимодействия |
29 |
2.1.2.Недостатки подходов, учитывающих только парное |
|
взаимодействие |
32 |
2.1.3. Метод погруженного атома (EAM) |
34 |
2.1.4. Модифицированный метод погруженного атома |
|
(MEAM) |
38 |
2.1.5. Потенциал с угловой зависимостью (ADP) |
39 |
2.1.6. Расчет функций межатомного взаимодействия для |
|
системы Fe-H |
40 |
2.1.6.1. Подготовка потенциалов взаимодействия для |
|
однокомпонентных систем |
41 |
2.1.6.2. Методика расчета взаимодействия Fe-H |
49 |
2.1.6.3. Расчет взаимодействия Fe-H |
50 |
2.2. Разработка программного комплекса |
55 |
3 |
|
2.2.1. Некоторые особенности программных комплексов |
|
LAMMPS и MDSEAM |
55 |
2.2.2. Основные положения метода молекулярной |
|
динамики |
57 |
2.2.2.1. Основные схемы интегрирования уравнений |
|
движения |
58 |
2.2.2.2. Моделирование в приближении различных |
|
ансамблей |
60 |
2.2.3. Разработка алгоритмов численного моделирования |
|
и программного пакета MDOMP |
63 |
2.2.3.1. Реализация алгоритмов метода молекулярной |
|
динамики |
63 |
2.2.3.2. Снижение нагрузки на CPU |
65 |
2.2.3.3. Построение параллельных модулей |
|
с применением технологии OpenMP |
70 |
2.2.3.4. Тестовые расчеты |
76 |
2.3. Выводы по главе 2 |
78 |
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА |
|
НА ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ |
|
ЖЕЛЕЗА |
79 |
3.1. Исследование деформированных состояний в кристаллах |
|
α-Fe |
79 |
3.1.1. Описание модели и методики вычислительного |
|
эксперимента |
80 |
3.1.2. Результаты и обсуждение |
83 |
3.2. Исследование влияния водорода на теоретическую |
|
прочность кристаллов α-Fe |
88 |
3.2.1. Описание модели и методики вычислительного |
|
эксперимента |
89 |
4 |
|
3.2.2. Результаты и обсуждение |
91 |
3.3. Исследование влияния водорода на прочностные свойства |
|
кристалла α-Fe, содержащего объемный кристаллический |
|
дефект |
93 |
3.3.1. Описание модели и методики вычислительного |
|
эксперимента |
94 |
3.3.2. Результаты и обсуждение |
98 |
3.4. Проверка адекватности ЕАМ приближения при получении |
|
диаграмм растяжения |
107 |
3.5. Выводы по главе 3 |
109 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ |
111 |
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ |
113 |
|
5 |
|
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ |
МД |
молекулярная динамика; |
ГЦК |
гранецентрированная кубическая решетка; |
ОЦК |
объемно-центрированная кубическая решетка; |
a0 |
равновесный параметр кристаллической решетки; |
F |
функция погружения; |
k |
постоянная Больцмана; |
N |
число атомов в системе; |
Pij |
тензор механических напряжений; |
rij |
расстояние между частицами i и j ; |
RC |
радиус обрезания потенциала; |
vi |
скорость частицы i; |
V |
объем системы атомов; |
T |
абсолютная температура; |
ij |
функция парного взаимодействия; |
функция атомной электронной плотности;
результирующая электронная плотность в кристалле
| * > |
обозначение волновой функции; |
ADP |
угловой потенциал (angular-dependent potential); |
DFT |
теория функционала плотности (density functional theory); |
ЕАМ |
метод погруженного атома (embedded-atom method); |
HEDE |
декогезия, вызванная водородом (hydrogen-enhanced |
|
decohesion); |
HELP |
локальная пластичность, вызванная водородом (hydrogen- |
|
enhanced localized plasticity). |
6
ВВЕДЕНИЕ
Впервые о влиянии водорода на механические свойства металлов упоминается Джонсоном [1], [2] в 1875 г., где сообщается о снижении напряжений вязкого и хрупкого разрушений стали при наличии водорода.
Позже подобное явление было обнаружено и в других металлических системах. Однако в настоящее время нет четкого понимания механизмов водородного охрупчивания металлов.
Водород значительным образом изменяет свойства почти всех металлов. Исключение составляют Cu, Au, Ag и W, хотя, возможно, что при определенных условиях влияние водорода также имеет место [3]. Водород также образует хрупкие гидридные фазы с металлами Nb, V, Zr, Ti и
сплавами на их основе. Кроме того, взаимодействие с водородом, например,
титановых сплавов может приводить не только к охрупчиванию, но и (при определенных технологических условиях) к пластифицированию вплоть до появления водородной сверхпластичности, то есть к противоположному результату [4, 5]. Также явление сверхпластичности обнаружено в железе при температуре полиморфного превращения [6].
В течение последних десятилетий большим вниманием в кругу исследователей пользуется система Pd-H [7, 8, 9, 10] из-за перспективы практического применения (палладий является основным материалом для диффузионной очистки водорода [11] и применяется в качестве катализатора при получении водорода из углеводородов). Кроме того, система Pd-H
является модельной при изучении систем металл-водород. Также большой интерес вызывает система Zr-H из-за ряда интересных особенностей,
вызванных фазовыми переходами в подрешетке водорода (см., например, [12, 13]), и склонности Zr к сильному наводороживанию и охрупчиванию
[14].
Актуальность темы. Исследование физических механизмов водородного охрупчивания и деградации механических свойств
7
металлических материалов является фундаментальной научной задачей [15].
Имеющиеся в настоящее время актуальные научно-технологические
«открытые» вопросы касаются:
1 Металловедческих аспектов технологической совместимости водородных и металлических сред.
2 Взаимосвязи процессов старения металлических материалов с явлением водородного охрупчивания.
3 Возрастающей актуальности водородной энергетики и связанных с ней задач получения, применения, хранения и транспортировки водорода.
Рассмотрим более подробно аспекты данной проблемы.
Экспериментально установлены следующие основные особенности поведения систем сталь-водород [16]:
-растворимость водорода в стали зависит от температуры и подчиняется закону Сивертса;
-коэффициент диффузии водорода в ОЦК-сплавах железа аномально высокий по сравнению с другими примесями;
-растворенный водород взаимодействует с дефектами кристаллического строения, конденсируясь в энергетических ловушках;
-хрупкость максимально проявляется в ОЦК-сплавах железа –
ферритных сталях, в значительно меньшей степени – в аустенитных; - при повышении концентрации водорода его влияние усиливается,
достигая определенного уровня; - сильный эффект охрупчивания может возникать при следовых
(меньше единицы ppm) концентрациях;
-как правило, хрупкость обратима – после удаления водорода из металла свойства полностью восстанавливаются;
-водородная хрупкость становится необратимой при увеличении концентрации водорода выше некоторого критического уровня или при увеличении длительности его взаимодействия с металлом;
8
-чувствительность к водородному охрупчиванию определяется микроструктурой стали;
-степень охрупчивания зависит от величины, вида и распределения напряжений;
-влияние водорода ослабляется с повышением скорости деформации;
-хрупкость максимально проявляется при температуре металла,
близкой к нормальной;
-степень охрупчивания зависит от концентрации углерода в металле;
-концентраторы напряжений значительно усиливают действие водорода.
Также считается, что хрупкость, обусловленная водородом,
проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше растворимость водорода в кристаллической решетке. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой
[17].
Из вышесказанного очевидно, что проблема водородного охрупчивания сложна и специфична. Несмотря на интенсивные исследования в данной области в течение последних десятилетий,
водородная деградация металлов все еще остается нерешенной проблемой физики металлов, теоретического и практического материаловедения [16].
За время изучения систем металл-водород предложено множество механизмов влияния водорода на свойства металлов, вот некоторые из них
[2, 3]:
- механизмы, включающие в себя давление водорода в объеме металла,
то есть давление водорода в пустотах металла вызывает значительное напряжение для образования и распространения трещины;
- снижение прочности связи решетки металла при наличии водорода - HEDE-механизм (hydrogen-enhanced decohesion);
9
- аккумуляция водорода на частицах различных включений (в том числе частицах второй фазы), что приводит к образованию дислокаций,
образованию и распространению трещин;
-образование, рост и раскалывание хрупких гидридов;
-снижение энергии дефектов упаковки при наличии водорода, что усиливает возможность скольжения по плоскостям упаковки;
-образование микротрещин и микропор из-за увеличения плотности вакансий, вызванных напряжением, и их стабилизации водородом;
-испускание дислокаций с поверхности, вызванное адсорбцией водорода;
-появление усиленной водородом локальной пластичности – HELP-
механизм (hydrogen-enhanced localized plasticity).
Наиболее жизнеспособными механизмами в настоящее время считают
(см., например, [18]): механизм усиленной водородом локальной пластичности (HELP-механизм) [19-26], механизм индуцированной водородом атомной декогезии (HEDE–механизм) [27-32], механизм образования хрупких гидридов [33, 34].
В ряде публикаций (см., например, [35]) помимо трех перечисленных называется еще один механизм, связанный с эмиссией дислокаций,
вызванной адсорбцией (AIDE – adsorption induced dislocation emission).
Отдельно стоит отметить работу [36], в которой явление водородного охрупчивания представлено как фазовый переход первого рода.
Металлом для исследования в настоящей работе выбран Fe. Такой механизм как охрупчивание вследствие образования гидридов признан для железа несостоятельным [37]. Железо образует гидриды FeH лишь при высоких давлениях и низких температурах [38].
Задачи, которые могут быть поставлены в научной работе по данной теме, обусловлены следующими научными проблемами. Отсутствуют прямые экспериментальные свидетельства в пользу HEDE-механизма,
10
поэтому данный механизм вызывает множество разногласий и споров. HELP-механизм хорошо подтвержден экспериментальными результатами,
однако полная картина деградации свойств металлов не сформирована.
Кроме того, отсутствует теоретическое обоснование HELP-механизма.
Численное моделирование, которое находится на стыке экспериментальной и теоретической научных областей, является мощным инструментом, и
позволит улучшить понимание механизмов протекания процессов водородного охрупчивания.
Объектом исследования является проблема водородного
охрупчивания в системе Fe-H.
Предметом исследования являются процессы охрупчивания и деградации механических свойств железа под влиянием водорода,
математические модели таких процессов; межатомное взаимодействие в системе Fe-H.
Цель работы заключается в исследовании влияния водорода на механические свойства железа методом классической молекулярной динамики.
Достижение поставленной цели возможно посредством решения следующих задач:
-разработать математические модели и методики вычислительных экспериментов по моделированию влияния водорода на прочностные свойства ОЦК-Fe;
-рассчитать функции межатомного взаимодействия в рамках ЕАМ-
приближения (Метод погруженного атома - Embedded-atom method) для системы Fe-H;
- провести вычислительные эксперименты по моделированию деформированных состояний в идеальных системах ОЦК-Fe; численно выявить особенности деформаций вдоль различных кристаллографических направлений;