МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Баранов М. А. – д ф м н., проф., Щербаков В. М. – ст преп., Черных Е. В. – к ф м н, доцент
Механические свойства аустенитных сталей как отражение состояния их кристаллических решёток

Скачати 0.72 Mb.

Сторінка 1/3 Дата конвертації 17.04.2016 Розмір 0.72 Mb.

  1   2   3

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

КАК ОТРАЖЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК

Баранов М.А. – д.ф.-м.н., проф., Щербаков В.М. – ст. преп., Черных Е.В. – к.ф.-м.н, доцент

Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)
Одновременное сочетание для сталей и сплавов высоких показателей физико-механических свойств – прочности, износостойкости, способности в течение длительного времени воспринимать ударные нагрузки при одновременном воздействии высоких и низких температур делает их незаменимым классом материалов в области машиностроения. Создание специальных сталей и сплавов с заранее заданным набором механических свойств представляет собой длительный, трудоёмкий, дорогостоящий процесс. Поэтому применение для этой цели методов компьютерного моделирования было бы весьма желательно. Любое механическое свойство (твердость, предел текучести и др.), по определению, это отклик материала на то или иное механическое испытание, которое, в свою очередь, обязательно сопровождается пластической деформацией. Однако современное развитие моделей пластической деформации и вычислительной техники не позволяет выполнить прямое атомно-дискретное моделирование даже столь простого механического испытания как вдавливание индентора. С другой стороны, механические свойства сплава по сути являются отражением состояния кристаллических решёток образующих его фаз. Подтверждением этому является сам факт существования справочников по механическим свойствам сталей и сплавов. Поэтому доступный и реализуемый алгоритм прогнозирования механических свойств должен основываться на решении двух взаимодополняющих задач. Во-первых, необходимо выполнить моделирование состояния решёток известных сталей и сплавов и их сопоставление с соответствующими показателями механических свойств. Во-вторых, исходя из требуемых значений показателей механических свойств и полученных данных установить параметры состояния кристаллической решётки сплава, а затем, применяя методы компьютерного моделирования подобрать химический состав сплава так, чтобы он обеспечивал требуемое состояние и, следовательно, показатели механических свойств.

Целью настоящей работы является количественная проверка гипотезы: «механические свойства сталей определяются в основном состоянием его кристаллической решётки». Решётка неупорядоченного сплава сложного химического состава искажена вследствие несимметричного окружения каждого из образующих её атомов (рисунок 1.)

Рисунок 1. Искажённость решётки стали 30Х16Н22В6БЛ, обусловленая неупорядоченным расположением и взаимными смещениями атомов

Весовой состав стали 30Х16Н22В6БЛ: 0.27-C, 0.3-Si, 16Cr, 1.5Mn, 53-Fe, 22-Ni, 1-Nb, 6-W. На рисунке векторы атомных смещений для наглядности показаны увеличенными в 25 раз. Препятствуя скольжению дислокаций, то есть пластической деформации, искаженность решётки способствуют повышению твердости и прочности материала. В качестве меры этой искажённости и первого параметра состояния правомерно рассматривать величину Sm среднего смещения атомов относительно геометрически правильных положений узлов.

Так как для реализации пластической деформации необходим разрыв и восстановление межатомных связей, то в качестве другого параметра состояния имеет смысл рассматривать величину энергии связи ЕСВ в расчёте на атом..

Моделирование состояния кристаллических решёток 24 промышленно выпускаемых сталей и сплавов аустенитного класса выполнено с определением параметров Sm и ЕСВ.

Таблица 1. Экспериментальные значения показателей механических свойств и рассчитанные значения параметров состояния кристаллической решетки

Марка стали, сплава σВ, МПа σ02, МПа δ, % НВ Sm, Ǻ ЕСВ, эВ/атом 12Х18Н9 490 196 45 179 0,108 4,675 03Х23Н28Ю4Т 490 216 30 — 0,065 4,661 09Х14Н19В2БР 510 220 35 200 0,106 4,718 08Х18Н10Т 510 205 43 143 0,104 4,730 09Х14Н19В2БР1 510 215 30 158 0,085 4,568 20Х23Н18 510 250 35 178 0,149 4,737 08Х18Н10 510 205 45 143 0,087 4,665 10Х16Н14В2БР 520 220 38 200 0,127 4,717 02Х17Н11М2 520 250 35 150 0,059 4,74 12Х18Н10Т 530 205 38 179 0,106 4,668 08Х21Н6М2Т 539 343 20 170 0,100 4,672 08Х22Н6Т 539 345 20 170 0,141 4,716 20Х23Н13 540 295 35

0,147 4,715 08Х16Н9М2 540 220 38 200 0,090 4,695 08Х16Н13М2Б 550 230 40 160 0,134 4,744 1Х14Н14В2М 550 220 35 175 0,125 4,747 17Х18Н9 590 185 35

0,174 4,648 3Х16Н22В6Б 600 300 20

0,229 4,779 ХН35ВТК 650 350 15 236 0,149 4,855 12Х25Н16Г7АР 690 325 40

0,177 4,870 31Х19Н9МВБТ 700 340 28 189 0,235 4,656 ХН60Ю 720 360 50

0,126 4,881 ХН65ВМТЮ 830 490 20

0,198 5,063 ХН60КВМЮТЛ 833 735 3

0,141 5,851 ХН58ВКМТЮБДЛ 950 850 5

0,090 5,940

Для проверки указанной выше гипотезы показатели механических свойств аппроксимировались функцией,

(1)

зависящей от рассчитанных величин атомных смещений и энергий связи. Параметры p0, p1, p2, p3 этих функций подбирались таким образом, чтобы среднеквадратичное расхождение

(2)

было бы минимальным. Суммирование в (2) проводится по всем маркам сталей или сплавов исследуемого набора; Fi– экспериментально измеренное значение механического свойства i-го сплава или стали. Значения параметров функций аппроксимирующих, исследуемые механические свойства в соответствующих единицах измерения приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Мех. Свойство P0 p1 p2 p3 ΣB -1085,0 212,8 323,5 -4,2 σ02 -2145,9 71,92 499,1 -77,8 Δ 157,4 -25,187 -23,3 63,9 HB 100,9 58,7 11,7 -130,3

Из сопоставления коэффициентов следует, что ожидаемая зависимость механических свойств от энергии связи и величины атомных смещений действительно имеет место, что подтверждает ранее выдвинутую гипотезу.

С использованием аппроксимирующих функций возникает возможность построения линий постоянных значений каждого из механических свойств. На рисунке 2 такие линии приведены для предела прочности. Требуемый химический состав стали в допустимом интервале концентраций может быть подобран в результате сопоставления подобных номограмм для всех механических свойств.

Рисунок 2. Линии постоянных значений предела прочности для рассматриваемого набора сталей аустенитного класса.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований — Проект № 08-08-98007 и администрации Алтайского края.

ФУЛЛЕРЕНЫ

Ватулина Е.А. – студент

Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)

Фуллере́ны, бакибо́лы или букибо́лы — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства

| n | − | e | + | f | = 2 (где | n | , | e | и | f | соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 шестиугольных граней.

Структурные свойства фуллеренов

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.

Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Синтез фуллеренов

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени, химический синтез и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час). Впоследствии, фирме Мицубиси удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12С. После экстракции фуллеренов, было показано методом ЯМР, что атомы 12С и 13С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С60 и С70 и кристаллы С60/С70, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250° С в условиях динамического вакуума (около 0.1 торр).

Соединения, подобные фуллеренам, образуются при авариях на ядерных объектах с графитовыми стержнями-ограничителями (возможно, например, в Чернобыльской катастрофе). Учитывая достаточно высокую биологическую проницаемость этих углеродных соединений и возможность несения в своей полости атома урана или другого неустойчивого элемента, они могут нести ответственность за некоторые аутосоматические формы лучевой болезни.

Физические свойства и прикладное значение фуллеренов

Фуллериты

Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С60, менее — система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π- связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C60.

При комнатных температурах кристалл С60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1.415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Ткр≈260 К) и кристалл С60 меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1.411 нм). При температуре Т > Ткр молекулы С60 хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С70 при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе. Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.

Нелинейные оптические свойства фуллеренов

Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С60 способны генерировать и третью гармонику.

Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники

Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента.

Химические свойства фуллеренов

Фуллерены, не смотря на отсутствие водородов, которые могут быть замещены как в случае обычных ароматических соединений, всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как реакция Дильса-Альдера, реакция Прато, реакция Бингеля. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С60Н2 до С60Н50.

Литература
Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода. — Успехи физических наук, 1995, № 9.

Борщевский А. Я., Иоффе И. Н., Сидоров Л. Н., Троянов С. И., Юровская М. А. Фуллерены — Нанометр, июнь 2007

Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. // СОЖ, 2001, No 8, с. 30-36.

Hirsch, A.; Brettreich, M. Fullerenes: Chemistry and Reactions; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, 2005.(англ.)

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДИФФУЗИИ АТОМОВ ПО ГРАНИЦАМ ЗЕРЕН В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ.

Драгунов А.С. — аспирант, Евтушенко И.В. –студент, Осецкий С.В. – студент

Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)
Основным методом исследования в естествознании является эксперимент. Даже в тех случаях, когда используются феноменологические теории, например, в космологии или в физике элементарных частиц, результаты и выводы, полученные в рамках этих теорий, должны проверяться экспериментом. Понятно, что прямой эксперимент или даже наблюдение во многих случаях невозможно или затруднено. Например, мы не можем исследовать планетные системы у звезд, или измерить температуру внутри Солнца. В физике материалов в настоящее время недоступны для физических измерений многие микроскопические объекты, например, вакансии, дислокации. Часто невозможно исследовать быстропротекающие процессы, такие как фазовые превращения, химические реакции, движение отдельных атомов. Для решения подобных задач в последние годы формируется новое направление физических исследований – компьютерный эксперимент.

Компьютерный эксперимент это ответвление от методов компьютерного моделирования. Термин компьютерное моделирование более широкий. Он включает и численные расчеты по формулам. Например, исследование процессов диффузии или теплопроводности можно провести используя соответствующие уравнения. Для диффузии это уравнение Фика. В компьютерном эксперименте явление исследуется так же как в реальном эксперименте. Строится кристалл, состоящий из атомов, располагающихся в позициях, соответствующих структуре решетки этого кристалла. Задается межатомное взаимодействие. Затем система нагревается и выдерживается некоторое время при заданной температуре. Перемещение каждого атома фиксируется.

Таким образом, в компьютерном эксперименте можно не только получить конечные результаты для процесса диффузии такие как глубина проникновения диффундирующего элемента или коэффициент диффузии, но и многие другие характеристики, связанные с индивидуальным движением атомов. В этом смысле между компьютерным экспериментом и натурным экспериментом имеется большое сходство.

Компьютерный эксперимент в большинстве случаев проводится параллельно с натурным. Это дает очень большой экономический эффект, т.к. часть опытов проводится на виртуальных объектах. Однако есть большой класс задач, которые сложно а часто и невозможно исследовать в натурном эксперименте. К ним, прежде всего, относятся объекты атомного уровня и быстропротекающие процессы. Развитие нанотехнологий является примером научного направления котором большую роль играет компьютерный эксперимент. Нанообъекты имеют размер менее 100 нм. Увидеть их в оптический микроскоп, разрешение которого 200 нм невозможно, наблюдение в электронный микроскоп очень сложно, атомно-силовая и туннельная микроскопия дают изображения только поверхности.

Один из важных направлений исследований в материаловедении является диффузия. Известно, что диффузия по дефектам (дислокации, границы зерен) протекает быстрее в 100 и даже в 1000 раз, чем в бездефектной части кристалла. С развитием нанотехнологий и применения наноматериалов диффузия по дефектам стала играть большую роль. В наноразмерном кристалле область дефекта может занимать половину объема или даже более. Исследование таких малых объектов может быть выполнено в настоящее время только методами компьютерного эксперимента. Компьютерный эксперимент позволяет получить параметры диффузии исследуя индивидуальные движения атомов.

Широко распространенным методом компьютерных исследований является метод молекулярной динамики. Он позволяет проводить расчеты систем, состоящих из большого числа атомов при высоких температурах. В соответствии с методом молекулярной динамики для каждого атома записываются уравнения динамики Ньютона. В соответствии с этими уравнениями находятся положения атомов (три числа) и скорости их движения (три числа). Набор характеристик представляет числовой массив. Если в расчетах участвует 30000 атомов, то для описания структуры кристалла в данный момент времени при данной температуре требуется 180000 числовых значений. Этот массив и является объектом, с которым должен работать исследователь.

Исследование таких процессов как диффузия требует визуализации элементарных движений атомов. В наших исследованиях закономерности диффузии по границам зерен анализируются с применением программы визуализации траекторий движения атомов. При данной температуре строятся треки – линии, представляющие собой последовательность элементарных отрезков – скачков атомов из одной позиции в другую.

На рис. 1 приведены траектории движения атомов при температурах 700 К и 900 К для различных границ зерен за одинаковые временные интервалы. Исследования проведены для двух границ зерен с углом разориентации 6˚ и 30˚. Видно, что диффузия по малоугловой границе 6˚ при 700 К осуществляется преимущественно вдоль ядер дислокаций образующих границу (рис. 1a). Трубочный характер диффузии сохраняется и при высоких температурах, что хорошо согласуется с дислокационным строением малоугловой границы. По большеугловой границе зерен диффузия идет равномерно по всему объему границы. Локализация диффузионного движения атомов вдоль границы позволяет найти области с избыточным объемом и повышенной энергией. Элементарные перемещения атомов в процессе диффузии связаны с механизмом диффузии. По движению отдельных атомов можно выделить следующие механизмы диффузии: вакансионный, межузельный, кольцевой, краудионный и др.

Предлагаемый в работе метод визуализации траекторий движения атомов позволяет:

1. Найти трехмерные траектории движения атомов. Определить локальные области ускоренной диффузии.

2. Определить механизм диффузии (вакансионный, межузельный, кольцевой, краудионный и др.)

3. Определить области, содержащие свободный объем, найти качественную картину распределения энергии, деформации и др. характеристик вдоль границ зерен.

Рис. 1. Траектории движения атомов в процессе диффузии при температурах 700 К и 900 К. Плоскость ГЗ расположена вертикально и направлена перпендикулярно плоскости рисунка. (a) ГЗ 6˚; (b) ГЗ 30˚.

Исследование механизмов диффузии вблизи межфазной границы Ni-Al в условиях твердофазного контакта методом молекулярной динамики

Кобзарь Л.М. – ст. преподаватель, Кулабухова Н.А. – аспирант, Мартынов А.Н. – аспирант

Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)
На границе фаз может возникнуть ситуация, качественно аналогичная той, которая имеет место на границе кристаллов одной фазы, то есть на границах зерен. В связи с этим в определенных условиях возможно ускорение диффузионного переноса вещества вдоль межфазных границ, что имеет подтверждение в экспериментальной практике [1-3]. В работах [1, 2] отмечается, что из-за несовершенства структуры границы фаз могут обнаруживать высокую диффузионную проницаемость, в некоторых случаях даже более высокую, чем границы зерен. Считается, что возможен и обратный случай, когда диффузия вблизи границы фаз идет медленнее, чем в объеме зерна.

Настоящая работа посвящена исследованию методом молекулярной динамики механизмов диффузии вблизи границы раздела Ni и Al в двумерной модели в условиях твердофазного контакта. В качестве металлической системы в настоящей работе взята система Ni-Al, что связано в первую очередь с относительно высокой скоростью взаимной диффузии в этой системе. Кроме того, она является одной из систем, в которых возможно проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, — перспективного технологического процесса, с помощью которого получают интерметаллиды.

Для моделирования диффузии вблизи границы раздела фаз Ni и Al использовалась двумерная модель. Упаковка атомов в модели соответствовала наиболее плотноупакованной плоскости {111} ГЦК решетки. При описании межатомных взаимодействий использовались парные потенциалы Морза [4]. Была проведена апробация потенциалов Морза по температурному коэффициенту линейного расширения, скорости распространения продольных и поперечных упругих волн, энергии образования и миграции вакансий [5, 6]. Полученные значения удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Межфазная граница создавалась посередине расчетного блока, содержащего от 2000 до 6000 атомов. Рассматривались различные ориентации межфазной границы. Вдоль границы задавались периодические граничные условия, поперек – гибкие, позволяющие расчетному блоку изменять объем. После первоначального создания биметалла проводилась структурная релаксация в завершение которой расчетный блок охлаждался.

Для моделирования диффузии расчетные блоки нагревались до предплавильной температуры Al (900-1000 К). Температура задавалась через начальные скорости атомов в соответствии с распределением Максвелла. При этом суммарный импульс атомов в расчетном блоке был равен нулю. Шаг интегрирования по времени движения частиц в методе молекулярной динамики во всех экспериментах был равен 10-14 с.

В процессе первоначальной структурной релаксации при низкой температуре, в ходе которой происходило сопряжение фаз Ni и Al, на межфазной границе образовывались вершинные дислокации (рис.1). Дислокации возникали в результате несоответствия параметров решеток (дислокации несоответствия) и разориентации контактирующих фаз.

Из наблюдения динамики системы в процессе эксперимента было обнаружено, что в диффузии вблизи межфазной границы до температуры плавления Al определяющую роль играют дислокации несоответствия. Ранее отмечалось [7], что диффузия при этом протекает преимущественно по кольцевому механизму вблизи ядер дислокаций, в результате чего атомы Al занимают прежние места атомов Ni. На рис.2 с помощью визуализатора атомных смещений показаны примеры реализации данного циклического механизма.

Тем не менее, наряду с указанным циклическим механизмом зачастую имеет место механизм, заключающийся в образовании цепочек последовательно смещенных атомов от одной дислокации несоответствия до другой (рис.3). Подобный механизм наблюдался также при моделировании диффузии по границам зерен [8]. С повышением плотности дислокаций вклад данного механизма увеличивался. Вследствие этого, при высокой плотности дислокаций несоответствия диффузия вдоль межфазной границы протекала более интенсивно, чем поперек. Плотность дислокаций, и, следовательно, соотношение коэффициентов диффузии вдоль и поперек межфазных границ, зависит в первую очередь от различия параметров решеток контактирующих фаз. Чем оно больше, тем выше плотность дислокаций и интенсивнее диффузия вдоль границ.

а) б)

Рис.1. Дислокации несоответствия на межфазных границах, ориентированных вдоль направлений <110> (а) и <112> (б) в плоскости (111) ГЦК решетки. Атомы Ni – черные, Al – серые.

а) б)

Рис.2. Примеры реализации циклического механизма диффузии вблизи ядер дислокаций несоответствия в границах, ориентированных вдоль направлений <110> (а) и <112> (б) в плоскости (111) ГЦК решетки. Атомы Ni – черные крестики, Al – серые. Смещения атомов показаны отрезками.

а) б)

Рис.3. Примеры образования цепочек последовательно смещенных атомов от одной дислокации несоответствия до другой в границах, ориентированных вдоль направлений <110> (а) и <112> (б) в плоскости (111) ГЦК решетки. Атомы Ni – черные крестики, Al – серые. Смещения атомов показаны отрезками.

Углубление диффундирующих атомов в фазу того или иного компонента было связано с продвижением избыточного свободного объема вглубь Al. В основном это было обусловлено размерным несоответствием межатомных связей Al-Al и образующихся Ni-Al, вследствие чего появлялись искажения решетки, приводящие к переползанию дислокаций несоответствия в объем Al. Вторым фактором продвижения свободного объема служила тенденция Al к повторению кристаллической ориентации Ni, вследствие чего в Al вблизи межфазной границы происходила переориентация кристаллической структуры, фронт которой распространялся вглубь Al и являлся, по сути, межзеренной границей. Следует обратить внимание, что дислокации, а также и вакансии, в молекулярно-динамических экспериментах мигрировали или формировались преимущественно в Al. Это связано с тем, что энергия связи в Al меньше, чем в Ni, поэтому положение дефекта в Al является энергетически выгоднее.

Атомы Ni диффундировали в Al значительно интенсивней, чем атомы Al в Ni. В результате образования новых межатомных связей Ni-Al дислокации несоответствия вследствие переползания смещались в сторону Al. При этом при температурах ниже температуры плавления Al диффузия по-прежнему осуществлялась за счет образования цепочек последовательно смещенных атомов вблизи одного ядра дислокации (циклический механизм) или от одной дислокации к другой.

Таким образом, молекулярно-динамическое исследование показало, что интенсивность диффузии вблизи межфазной границы при твердофазном взаимодействии обуславливается главным образом плотностью дислокаций несоответствия. Основными механизмами диффузии в двумерной модели являются циклические смещения атомов вблизи ядра одной дислокации и образование цепочек последовательно смещенных атомов от одной дислокации к другой. Плотность дислокаций зависит в основном от различия параметров решеток контактирующих фаз. Причем это различие определяет также соотношение интенсивности диффузии вдоль и поперек межфазной границы на начальной стадии взаимной диффузии: чем сильнее различаются параметры решеток, тем выше плотность дислокаций и тем интенсивнее диффузия вдоль межфазной границы. В процессе взаимной диффузии, в результате образования гетерогенных связей Ni-Al, дислокации несоответствия перемещаются в сторону Al. Однако при этом диффузия также протекает за счет образования цепочек смещенных атомов либо вблизи одной дислокации (циклический механизм), либо между двумя дислокациями.

Литература
1. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия, 1971. 496 с.

2. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. 248 с.

3. Бокштейн С.З., Болберова Е.В., Игнатова И.А., Кишкин С.Т., Разумовский И.М. Влияние величины несоответствия параметров решеток фаз на диффузионную проницаемость межфазных границ // ФММ. 1985. Т.59. №5. С. 938-942.

4. Царегородцев А.И., Горлов Н.В., Демьянов Б.Ф., Старостенков М.Д. Атомная структура АФГ и ее влияние на состояние решетки вблизи дислокации в упорядоченных сплавах со сверхструктурой L12 // ФММ. 1984. Т.58. №2. С. 336-343.

5. Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Определение температуры плавления и температурного коэффициента линейного расширения методом молекулярной динамики // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2004. №1. С. 81-85.

6. Аксенов М.С., Ракитин Р.Ю., Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Локально инициированные упругие волны в ГЦК металлах // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т.2. №3. С. 9-13.

7. Полетаев Г.М., Старостенков М.Д. Механизм взаимной диффузии вблизи межфазной границы в двумерной системе Ni-Al // Письма в ЖТФ. 2003. Т.29, №11. С. 30-34.

8. Ракитин Р.Ю., Полетаев Г.М., Аксенов М.С., Старостенков М.Д. Механизмы диффузии по границам зерен в двумерных металлах // Письма в ЖТФ. 2005. Т.31, №15. С. 44-48.

КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ

Рыбоконенко Д. Н. — студент, Гурова Н. М. — к.ф.-м.н., доцент

Алтайский государственный технический университет (г. Барнаул)
Актуальность.

В настоящее время стоимость передачи данных относительно высока, к тому же при использовании беспроводных методов передача может допускать низкое качество приема. Так же скорость приема информации ограничена пропускной способностью среды, через которую осуществляется передача. Для эффективного использования информации необходимо оптимизировать как скорость, так и качество передачи.

Новизна.

В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы — квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.

Постановка задачи и обсуждение.

Сделать так, чтобы некий субъект исчез где-нибудь в Нью-Йорке и в мгновение ока появился, например, в Москве, ученые пока не могут, однако подобная технология вполне может появиться в отдаленном будущем. Тем более что «телепортацию» отдельных элементарных частиц физики уже освоили.

На самом деле, «телепортировать» отдельные элементарные частицы физики умеют с 1998 г., когда был осуществлен перенос отдельного фотона. Речь идет о так называемой квантовой телепортации, в основе которой лежит феномен связанности частиц, при котором изменение квантового состояния одной частицы приводит к аналогичному изменению ее «пары». Квантовая телепортация не позволяет непосредственно перемещать материю или энергию, зато с ее помощью можно с успехом передавать информацию. Более того, в 2006 г. удалось произвести такой информационный обмен между разными элементарными частицами.

Квантовая телепортация — передача квантового состояния на расстояние, при помощи разъединённой в пространстве сцепленной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения, после чего воссоздаётся в точке приёма. Термин установился благодаря статье в 1993 году Phys.Rev.Lett. 70, 1895—1899 (1993), где описано, какое именно явление предлагается так называть и чем оно отличается от популярного в научной фантастике слова «телепортация». Квантовая телепортация не передаёт энергию или вещество на расстояние. Обязательным этапом при квантовой телепортации является передача информации между точками отправления и приёма по классическому, неквантовому каналу, которая может осуществляться не быстрее, чем со скоростью света, тем самым не нарушая принципов современной физики.

Квантовая телепортация осуществляется за счёт разделения информации на «квантовую часть» и «классическую часть» и независимой передаче этих двух компонентов. Для передачи «квантовой части» используются характерные для квантово-запутанных частиц корреляции Эйнштейна — Подольского — Розена, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи.

Для простоты будем иметь в виду квантовую систему с двумя состояниями ψ1 и ψ2 (например, проекцию спина электрона или фотона на заданную ось). Такие системы часто называют кубитами. Однако, описанный способ пригоден для передачи состояния любой системы, имеющей конечное число состояний.

Пусть у отправителя есть частица А, находящаяся в произвольном квантовом состоянии ψA = αψ1 + βψ2, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Иными словами, необходимо передать отношение двух комплексных чисел α и β (с бесконечной точностью). Заметим, что главная цель здесь — это передать информацию не как можно быстрее, а как можно аккуратнее. Для достижения этой цели выполняются следующие шаги.

Отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц C и B, причём C попадёт отправителю, а B — получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией (вектором состояния), но вся пара целиком (а точнее, интересующие нас степени свободы) описываются единым четырёхмерным вектором состояния ψBC.

Квантовая система частиц A и C имеет четыре состояния, однако мы не можем описать её состояние вектором — чистым (полностью определённым) состоянием обладает лишь система из трёх частиц A, B, C. Когда отправитель совершает измерение, имеющее четыре возможных исхода, над системой из двух частиц A и C, он получает одно из 4 собственных значений измеряемой величины. Поскольку при этом измерении система из трёх частиц A, B, C коллапсирует в некое новое состояние, причём состояния частиц A и C становятся известны полностью, то сцепленность разрушается и частица B оказывается в некотором определённом квантовом состоянии.

Именно в этот момент происходит как бы «передача» «квантовой части» информации. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние частицы B как-то связано с состоянием частицы A, но не знает как именно!

Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения (затратив при этом два бита, соответствующие зацепленному состоянию AC, измеренному отправителем). По законам квантовой механики получается, что имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам. До того, как получен результат по классическому каналу, получатель ничего не может сказать о переданном состоянии.

Фантастическое понятие телепортации происходит из специфичной интерпретации эксперимента: «исходное состояние частицы A после всего произошедшего разрушается. То есть, состояние было не скопировано, а перенесено из одного места в другое».

Экспериментальная реализация квантовой телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима).

В 2006 году была впервые осуществлена телепортация между объектами разной природы — квантами лазерного излучения и атомами цезия. Успешный эксперимент был произведен исследовательской группой из Института Нильса Бора в Копенгагене.

23 января 2009 года учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр.

В ходе недавних экспериментов впервые удалось осуществить перенос свойств между разными элементарными частицами. Изменяя состояние атомов, датские ученые смогли добиться изменения свойств связанных с ними фотонов лазерного луча за счет квантового эффекта парных частиц. От перспектив захватывает дух.

Соответствующий эксперимент, успешно проведенный специалистами из Института Нильса Бора и Института квантовой оптики Макса Планка, выглядел следующим образом. Стеклянная колба, содержащая пары цезия, помещалась в гомогенное магнитное поле, которое выравнивало магнитные моменты всех атомов, после чего подвергалась воздействию лазерного импульса. В результате взаимодействия с однородными фотонами лазерного пучка часть атомов приобретали с ними парные свойства. Один фотон оказывался связан с некоторым количеством атомов цезия — от 8 до 12-ти. В сложившейся системе изменение состояния атомов сказывалось на параметрах уже вышедшего из колбы светового пучка. Влияя на пространственную ориентацию атомов с помощью магнитного поля, ученые изменяли такие параметры фотонов, как фаза, частота и поляризация. В то же время, изменение параметров пучка влияло на ориентацию атомов в колбе.

Но раз любой материальный объект можно представить в виде некоторой информационной структуры, квантовая телепортация вполне способна привести к телепортации материальной. Сделать это, теоретически, можно по такой схеме: берем объект, вычленяем в нем его структуру, передаем соответствующий информационный пакет по мгновенному квантовому каналу в зону приемника и собираем там исходный объект из базовых элементов (тех же элементарных частиц, например).

К настоящему моменту дальность телепортации отдельных фотонов доведена до 3 км и более — утверждает Эдвард Фархи. Более того, сравнительно недавно физики научились телепортировать частицы, обладающие массой, — электроны, например. По мнению профессора Фархи, увеличить дальность телепортации до межзвездных, или, на худой конец, до общеземных масштабов — задача крайне сложная, но решаемая. Гораздо больше вопросов вызывает возможность телепортировать такие сверхсложные физические объекты, как человек. «Это и в самом деле находится далеко за пределами наших возможностей. Живой организм содержит порядка 1030 элементарных частиц. Передать информацию о каждой из них на некое расстояние представляется настоящим кошмаром. Я не верю, что эта задача может быть решена в обозримом будущем».

К этому можно добавить сложность достаточной детализации при вычленении информационной структуры живых объектов. Даже если оставаться на атомарном уровне, очевидно, что одних сведений о пространственной конфигурации и статических связях между атомами и молекулами будет явно недостаточно — необходимо как минимум восстановить импульсы всех атомов, молекул и свободных электронов, что сопряжено со значительными трудностями квантово-механического толка.

Существуют и другие проблемы: в частности, Фархи указывает на то, что при данном виде телепортации нужно заранее переслать в зону приемника набор элементарных частиц, необходимый для воссоздания исходного объекта. Кроме того, для расшифровки сообщения принимающей стороне требуется специальный информационный ключ, который может передаваться только по обыкновенным каналам связи, то есть со скоростью, заведомо не превышающей скорость света. Как бы то ни было, профессор Фархи уверен: при полностью успешной телепортации всех частиц, из которых состоит человеческое тело, и их квантовых состояний, персона, «собранная» в точке B будет иметь абсолютно те же мысли и воспоминания, что и персона, «разобранная» в точке А.

Его коллега Макс Тегмарк указал и на другую возможность мгновенной транспортировки материальных тел во времени и пространстве. Дело в том, что современная физика допускает существование т.н. червоточин («кротовых нор», как их еще называют) — своеобразных туннелей пространства-времени, соединяющих две далеко разведенные локации коротким и, что самое главное, более или менее проходимым каналом.

Расчеты показывают, что при некоторых условиях материальные тела могут проходить сквозь «кротовые норы» практически беспрепятственно, не сталкиваясь с угрожающими деформациями. К сожалению, ОТО накладывает на существование нор весьма существенные ограничения. Во-первых, они должны быть крайне нестабильны: «В любой момент канал может сколлапсировать в черную дыру, поставив путешественника в весьма трудное положение», — поясняет Макс Тегмарк. Во-вторых, в теории для стабилизации червоточин требуются поля с отрицательной плотностью энергии, между тем современной науке подобные поля пока неизвестны.

Результаты.

Возможности, которые открывает квантовая телепортация, поистине удивительны. Это и сверхскоростные компьютеры, и системы мгновенной связи, принципиально не поддающиеся взлому, а также множество чувствительнейших научных инструментов. Кроме того, квантовая телепортация теоретически может быть использована для передачи на расстояние сложных физических тел — ведь любой материальный объект является набором элементарных частиц, каждая из которых обладает определенным набором свойств. Если ученые сумеют телепортировать эти свойства, сами частицы передавать и не нужно — всегда можно использовать те, что имеются под рукой.

ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ

Санькова И.С.-студентка, Старостенков М.Д-д.т.н,

Алтайский государственный университет (г.Барнаул)
Интерметалли́д (интерметаллическое соединение) — химическое соединение из двух или более металлов. Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой твёрдостью и высокой химической стойкостью. Некоторые из них имеют полупроводниковые свойства.

Некоторые из металлов могут реагировать друг с другом очень активно. Например, реакция цинка и никеля при температурах выше 1000 °C носит взрывной характер.

</112></110></112></110></112></110>

  1   2   3
База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка
Інформація Автореферат Анализ Диплом Додаток Доклад Задача Закон Занятие Звіт Инструкция

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий