Моделирование процессов деформирования и разрушения нанокомпозитов Al/Cu

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.

1. Влияние 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.

2. Физическая мезомеханика и молекулярно-динамическое моделирование / И. Ф. Головнев [и др.] // Физическая мезомеханика. 1998. № 2. С. 21-33.

3. Скворцов, Ю. В. Механика композиционных материалов / Ю. В. Скворцов. Самара: СГАУ, 2013. 94 с.

4. Hoover, W. Canonical Dynamics: Equilibrium PhaseSpace Distributions / W. Hoover // Physical Review A. 1985. Vol. 31, Iss. 3. P. 1695-1697.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Горячева, И. Г. Механика фрикционного взаимодействия / И. Г. Горячева. М.: Наука, 2001. 478 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Веденеев, С. И. Квантовые осцилляции в трехмерных топологических изоляторах / С. И. Веденеев // Успехи физических наук. 2017. № 187. С. 411-429.

14. Бег, Ф. Идентификация двумерных антиферромагнитных топологических изоляторов класса Z2 / Ф. Бег, П. Пужоль, Р. Рамазашвили // ЖЭТФ. 2018. Т. 153, вып. 1. С. 108-126.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.