satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2022-21-1-12-18sat-2516Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMECHANICAL ENGINEERING АND ENGINEERING SCIENCEМоделирование процессов деформирования и разрушения нанокомпозитов Al/CuModeling of Deformation and Destruction Processes of Al/Cu NanocompositesВахрушевА. B.VakhrushevA. V.

Доктор физико-математических наук, профессор

Адрес для переписки:Вахрушев Александр ВасильевичИжевский государственный технический университет имени М. Т. Калашниковаул. Студенческая, 7,426069, г. Ижевск, Российская Федерация Тел.: +7 3412 24-45-83vakhrushev-a@yandex.ru

Address for correspondence::Vakhrushev Alexander V. -Kalashnikov Izhevsk State Technical University7, Studencheskaya str.,426069, Izhevsk, Russian Federation Tel.: +7 3412 24-45-83vakhrushev-a@yandex.ru

vakhrushev-a@yandex.ruФедотовА. Ю.FedotovA. Yu.

Кандидат физико-математических наук, доцент

г. Ижевск

Izhevsk

ЛеконцевА. Т.LekontsevA. T.

Магистр

г. Ижевск

Izhevsk

Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова; Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наукРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical University; Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИжевский государственный технический университет имени М. Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian Federation2022030220222111218Copyright © Вахрушев А.B., Федотов А.Ю., Леконцев А.Т., 20222022Вахрушев А.B., Федотов А.Ю., Леконцев А.Т.Vakhrushev A.V., Fedotov A.Y., Lekontsev A.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2516

Проведено молекулярно-динамическое моделирование одноосного растяжения охлажденной композиции Al/Cu. При расчетах использовали программный комплекс LAMMPS, включающий в себя классический код молекулярной динамики с акцентом на моделирование материалов. Для визуализации применяли программу Ovito, имеющую большое количество функций, благодаря чему пользователь может тщательно исследовать полученные результаты. При описании межатомного взаимодействия в нанокомпозите Al/Cu использовали потенциал погруженного атома EAM. Выбор потенциала обусловлен тем, что он адекватно описывает и воспроизводит свойства широкого класса материалов, в том числе металлов, полупроводников и сплавов. Моделирование осуществлялось в два этапа. На первом образец, состоящий из двух кристаллитов алюминия и меди в форме параллелепипедов, соединенных вдоль одной из сводных границ, размещался в расчетной области и охлаждался при постоянном давлении. Охлаждение осуществлялось для стабилизации наносистемы. На втором этапе, соответствующем деформации, температура и давление менялись в соответствии с протекающими физическими процессами. Для управления температурой и давлением на начальной стадии охлаждения использовали алгоритм термостата и баростата Нозе – Гувера. В статье продемонстрирован характер распределения продольных напряжений по всему объему кристалла в процессе растяжения. При достижении образцом предела упругости наблюдались зарождение дефектов кристаллической решетки и распространение их по кристаллу в виде сдвигов и поворотов атомов в кристаллических плоскостях. Определены области зарождения пластических деформаций. Максимальное разрушение материала происходило по границе раздела. С помощью молекулярно-динамического моделирования динамически исследованы параметры композиции Al/Cu (деформация, температура, механическое напряжение). Проведено сопоставление характеристик образца при деформации. В условиях нагружения в материале реализуется множество процессов, включающих в себя генерацию дефектов, упругую и пластическую деформации, генерацию повреждений и механическое перемешивание.

The aim of this work is to carry out molecular dynamics simulation of the uniaxial stretching of a cooled Al/Cu composition. The LAMMPS software package has been used for calculations, which includes the classic molecular dynamics code with an emphasis on modeling materials. The Ovito program has been used for visualization, which has a large number of functions, so that the user can thoroughly investigate the results obtained. When describing the interatomic interaction in the Al/Cu nanocomposite, we used the potential of the embedded EAM atom. The choice of potential is due to the fact that it adequately describes and reproduces the properties of a wide class of materials, including metals, semiconductors and alloys. The simulation has been carried out in two stages. At the first stage, a sample consisting of two crystallites of aluminum and copper in the form of parallelepipeds, connected along one of the joint boundaries, was placed in the computational domain and cooled at constant pressure. Cooling was carried out to stabilize the nanosystem. At the second stage, corresponding to the deformation, the temperature and pressure were changed in accordance with the ongoing physical processes. The algorithm of the thermostat and the Nose – Hoover barostat has been used to control the temperature and pressure at the initial stage of cooling. The paper demonstrates the nature of the distribution of longitudinal stresses over the entire volume of the crystal in the process of stretching. When the sample reached the elastic limit, the nucleation of crystal lattice defects and their distribution over the crystal in the form of shifts and rotations of atoms in crystal planes were observed. Areas of plastic deformation origin have been determined. The maximum destruction of the material occurred along the interface. The parameters of the Al/Cu composition (deformation, temperature, mechanical stress) have been dynamically investigated using molecular dynamics simulation. Comparison of the characteristics of the sample in the deformation process has been carried. Under loading conditions, a variety of processes are implemented in the material, including generation of defects, elastic and plastic deformation, generation of damage, and mechanical mixing.

деформациямоделированиемолекулярная динамикапотенциал погруженного атомадефектынанокомпозитыдислокациимеханические характеристикикристаллическая решеткаграницы разделамеханическое напряжениенаноструктураdeformationmodelingmolecular dynamicsembedded atom potentialdefectsnanocompositesdislocationsmechanical characteristicscrystal latticeinterfacesmechanical stressnanostructureРаботы выполнены при финансовой поддержке Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова (проект 28.04.01 / 18ВАВ), гранта УрО РАН № 18-10-1-29 и бюджетного финансирования по проекту 0427-2019-0029.ReferencesВлияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей / С. В. Панин [и др.] // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3, № 2. С. 99–115.Panin S. V., Koval' A. V., Trusova G. V., Pochivalov Yu. I., Sizova O. V. (2000) Influence of Geometry and Structure of Interface on Nature of Plastic Deformation Development at Mesoscale Level of Borated Structural Steel Samples. Fizicheskaya Mezomekhanika = Physical Mesomechanics, 3 (2), 99–115 (in Russian).Физическая мезомеханика и молекулярно-динамическое моделирование / И. Ф. Головнев [и др.] // Физическая мезомеханика. 1998. № 2. С. 21–33.Golovnev I. F., Golovneva E. I., Konev A. A., Fomin V. M. (1998) Physical Mesomechanics and Molecular Dynamics Modeling. Fizicheskaya Mezomekhanika = Physical Mesomechanics, (2), 21–33 (in Russian).Скворцов, Ю. В. Механика композиционных материалов / Ю. В. Скворцов. Самара: СГАУ, 2013. 94 с.Skvortsov Yu. V. (2013) Mechanics of Composite Materials. Samara, Samara State Aerospace University. 94 (in Russian).Hoover, W. Canonical Dynamics: Equilibrium PhaseSpace Distributions / W. Hoover // Physical Review A. 1985. Vol. 31, Iss. 3. P. 1695–1697.Hoover W. (1985) Canonical Dynamics: Equilibrium Phase-Space Distributions. Physical Review A, 31 (3), 1695–1697. https://doi.org/10.1103/physreva.31.1695.Болеста, А. В. Молекулярно-динамическое моделирование квазистатического растяжения композиции AL/Ni вдоль границы раздела / А. В. Болеста, И. Ф. Головнев, В. М. Фомин // Физическая мезомеханика. 2002. № 4. С. 15–21.Bolesta A. V., Golovnev I. F., Fomin V. M. (2002) Molecular Dynamics Simulation of Quasi-Static Stretching of AL/Ni Composition Along Interface. Fizicheskaya Mezomekhanika = Physical Mesomechanics, (4), 15–21 (in Russian).Влияние микроструктуры материала на динамическую пластичность и прочность: молекулярно-динамическое моделирование / П. А. Жиляев [и др.] // Физикохимическая кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9, № 1. С. 104–109.Zhilyaev P. A., Kuksin A. Yu., Norman G. E., Starikov S. V., Stegailov V. V., Yanilkin A. V. (2010) Influence of Material Microstructure on Dynamic Plasticity and Strength: Molecular-Dynamic Simulations. Fiziko-Khimicherskaya Kinetika v Gazovoy Dinamike = Physico-Chemical Kinetics in Gas Dynamics, 9 (1), 104–109 (in Russian).Канель, Г. И. Ударные волны в физике конденсированного состояния / Г. И. Канель, В. Е. Фортов, С. В. Разоренов // УФН. 2007. Т. 177, № 8. С. 809–830.Kanel G. I., Fortov V. E., Razoryonov S. V. (2007) Shock Waves in Condensed Matter Physics. Physics-Uspekhi, 50 (8), 771–791.Горячева, И. Г. Механика фрикционного взаимодействия / И. Г. Горячева. М.: Наука, 2001. 478 с.Goryacheva I. G. (2001) Mechanics of Friction Interaction. Moscow, Nauka Publ. 478 (in Russian).Панин, В. Е. Механизм влияния величины зерна на сопротивление деформированию поликристаллов в концепции структурных уровней деформации твердых тел. Часть I. Необходимость учета мезоскопических структурных уровней деформации при анализе уравнения Холла – Петча / В. Е. Панин, Т. Ф. Елсукова, Ю. В. Гриняев // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6, № 3. С. 63–74.Panin V. E., Elsukova T. F., Grinyaev Yu. V. (2003) Mechanism of Grain Size Influence on Strain Resistance of Polycrystals in Context of Structural Deformation Levels of Solids. Part I. Consideration of Mesoscopic Structural Deformation Levels in Analyzing the Hall – Petch Equation. Fizicheskaya Mezomekhanika = Physical Mesomechanics, 6 (3), 63–74 (in Russian).Persson, B. N. J. Elastic Contact between Randomly Rough Surfaces: Comparison of Theory with Numerical Results / B. N. J. Persson, F. Bucher, B. Chiaia // Physical Review B. 2002. Vol. 65, Iss. 18. P. 184106.1–7.Persson B. N. J., Bucher F., Chiaia B. (2002) Elastic Contact between Randomly Rough Surfaces: Comparison of Theory with Numerical Results. Physical Review B, 65 (18), 184106.1–7. https://doi.org/10.1103/physrevb.65.184106.Iordanoff, I. First Steps for a Rheological Model for the Solid Third Body / I. Iordanoff, Y. Berthier // Tribology Series. 1999. Vol. 36. P. 551–559.Iordanoff I., Berthier Y. (1999) First Steps for a Rheological Model for the Solid Third Body. Tribology Series, 36, 551–559. https://doi.org/10.1016/s0167-8922(99)80075-3.Применение метода динамики частиц для описания высокоскоростного разрушения твердых тел / А. М. Кривцов [и др.] // Математика, механика и информатика 2002: тр. Всерос. конф., посвящ. 10-летию РФФИ. М.: Физматлит, 2002. C. 361–377.Krivtsov A. M., Volkovets I. B., Tkachev P. V., Tsaplin V. A. (2002) Application of Particle Dynamics Method for Description of High–Speed Destruction of Solids. Matematika, Mekhanika i Informatika 2002: tr. Vseros. Konf., Posvyashchennoi 10-Letiyu RFFI [Mathematics, Mechanics and Informatics 2002: Proceedings of All-Russian Conference, Dedicated to the 10th Anniversary of the RFBR]. Moscow, Fizmatlit Publ., 361–377 (in Russian).Веденеев, С. И. Квантовые осцилляции в трехмерных топологических изоляторах / С. И. Веденеев // Успехи физических наук. 2017. № 187. С. 411–429.Vedeneev S. I. (2017) Quantum Oscillations in Three– Dimensional Topological Insulators. Physics-Uspekhi, 60 (4), 385–401. https://doi.org/10.3367/ufne.2017.01.038053.Бег, Ф. Идентификация двумерных антиферромагнитных топологических изоляторов класса Z2 / Ф. Бег, П. Пужоль, Р. Рамазашвили // ЖЭТФ. 2018. Т. 153, вып. 1. С. 108–126.Bègue F., Pujol P., Ramazashvili R. (2018) Identification Two-Dimensional Z2 Antiferromagnetic Topological Insulators. Journal of of Experimental and Theoretical Physics, 153 (1), 108–126. https://doi.org/10.1134/s1063776118010028.Vakhrushev, A. V. Calculation of the Elastic Parameters of Composite Materials Based on Nanoparticles Using Multilevel Models / A. V. Vakhrushev, A. Y. Fedotov, А.A. Shushkov // Nanostructures, Nanomaterials, and Nanotechnologies to Nanoindustry. New Jersey: Apple Academic Press. 2014. Chapter 4. P. 51–70.Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Shushkov A. A. (2014) Calculation of the Elastic Parameters of Composite Materials Based on Nanoparticles Using Multilevel Models. Nanostructures, Nanomaterials, and Nanotechnologies to Nanoindustry. New Jersey, Apple Academic Press, Chapter 4, 51–70. https://doi.org/10.1201/b16956-15.Vakhrushev, A. V. Modeling of Processes of Composite Nanoparticle Formation by the Molecular Dynamics Technique. Part 1. Structure of Composite Nanoparticles / A.V. Vakhrushev, A. Y. Fedotov, A. A. Vakhrushev // Nanomechanics Science and Technology. 2011. Vol. 2, Iss. 1. Р. 9–38.Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A. (2011) Modeling of Processes of Composite Nanoparticle Formation by the Molecular Dynamics Technique. Part 1. Structure of Composite Nanoparticles. Nanomechanics Science and Technology, 2 (1), 9–38. https://doi.org/10.1615/nanomechanicsscitechnolintj.v2.i1.20.Vakhrushev, A. V. Modeling of Processes of Composite Nanoparticle Formation by the Molecular Dynamics Technique. Part 2. Probabilistic Laws of Nanoparticle Characteristics / A. V. Vakhrushev, A. Y. Fedotov, A.A. Vakhrushev // Nanomechanics Science and Technology. 2011. Vol. 2, Iss. 1. P. 39–54.Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A. (2011) Modeling of Processes of Composite Nanoparticle Formation by the Molecular Dynamics Technique. Part 2. Probabilistic Laws of Nanoparticle Characteristics. Nanomechanics Science and Technology, 2 (1), 39–54. https://doi.org/10.1615/nanomechanicsscitechnolintj.v2.i1.30.Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик наноoбъектов и композиционных материалов на их основе / А. В. Вахрушев [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 4. С. 486–495.Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y., Vakhrushev A. A., Shushkov A. A., Shushkov A. V. (2010) Study of Process Formation of Metal Nanoparticles, Determination of Mechanical and Structural Parameters of Nanoobjects and Composites Based on them. Khimicheskaya Fizika i Mezoskopiya = Chemical Physics and Mesoscopy, 12 (4), 486–495 (in Russian).Вахрушев, А. В. Исследование вероятностных законов распределения структурных характеристик наночастиц, моделируемых методом молекулярной динамики / А. В. Вахрушев, А. Ю. Федотов // Вычислительная механика сплошных сред. 2009. Т. 2, № 2. С. 14–21.Vakhrushev A. V., Fedotov A. Y. (2009) Investigation of Probability Distribution Laws of Structural Properties of Nanoparticles Simulated by Molecular Dynamics Method. Vychislitelnaya Mekhanika Sploshnykh Sred = Computational Continuum Mechanics, 2 (2), 14–21 (in Russian).Daw, M. S. Embedded-Atom Method: Derivation and Application to Impurities, Surfaces, and Other Defects in Metals / M. S. Daw, M. I. Baskes // Physical Review B. 1984. Vol. 29, Iss. 12. P. 6443–6453.Daw M. S., Baskes M. I. (1984) Embedded-Atom Method: Derivation and Application to Impurities, Surfaces, and Other Defects in Metals. Physical Review B, 29 (12), 6443–6453. https://doi.org/10.1103/physrevb.29.6443.Foiles, S. M. Embedded-Atom Method Function for the Fcc Metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their Alloys / S. M. Foiles, M. I. Baskes, M. S. Daw // Physical Review B. 1986. Vol. 33, Iss. 12. P. 7983–7991.Foiles S. M., Baskes M. I., Daw M. S. (1986) EmbeddedAtom Method Function for the Fcc Metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their Alloys. Physical Review B, 33 (12), 7983–7991. https://doi.org/10.1103/physrevb.33.7983.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.