Прискорене масоперенесення за рахунок рухомих дислокацій при імпульсному навантаженні
| dc.contributor.advisor | Філатов, Олександр Валентинович | |
| dc.contributor.author | Солдатенко, Оксана Михайлівна | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-09T14:12:11Z | |
| dc.date.available | 2024-02-09T14:12:11Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Солдатенко О.М. Прискорене масоперенесення за рахунок рухомих дислокацій при імпульсному навантаженні. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вивченню атомних механізмів дефектоутворення в металевих наночастинках з гранецентрованою кубічною ґраткою, атомному механізму прискореного масоперенесення при імпульсному навантаженні в металах з об’ємоцентрованою кубічною ґраткою та механізмам атомної міграції на границі розділу двох матеріалів з різною кубічною ґраткою. Дисертація складається з п’яти розділів, присвячених аналізу літературних джерел щодо властивостей однокомпонентних металевих наночастинох, способів їх дослідження, а також їхнього практичного застосування, впливу температури та деформації на процеси масопереносу в металах і методів покращення властивостей матеріалів шляхом деформаційної та хімічної модифікації поверхні (Розділ 1), опису методів і параметрів досліджень (Розділ 2), механізмам дефектоутворення і масоперенесення в металах з кубічною ґраткою під впливом імпульсного навантаження (Розділ 3), міграції атомів та структурним змінам на границі розділу металів з різною кубічною ґраткою (Розділ 4) і деформаційно-дифузійним процесам в алюмінієвому сплаві Д16 при механічному легуванні його поверхні методом ультразвукової ударної обробки (Розділ 5). В останньому розділі на макроскопічному рівні показуються наслідки деформаційно-дифузійних процесів, що протікають в металах на атомному рівні на прикладі результатів ультразвукової ударної обробки бойком із Армко-заліза широко застосовуваного в аерокосмічні галузі алюмінієвого сплаву Д16 (2024). Дослідження механізмів дефектоутворення в ГЦК кристалах проводилось на основі молекулярно-динамічного моделювання наночастинок срібла різної будови, які на сьогодні знаходять застосування в сенсорних панелях, електродах для сонячних панелей, та ін. і можуть бути використані при створенні мікро- та наноелектромеханічних систем. За основу було взято наночастинки по типу нанострижня і нанотрубки, для яких досліджувались їхня температурна стабільність, механічні та теплові властивості. Проведено дослідження стабільності срібних нанотрубок різної будови: з графеноподібною будовою атомів у площині стінки нанотрубки (структурно нестабільна за кімнатної температури), нанотрубка отримана шляхом скручування тонкої плівки з ГЦК структурою (обмежено стабільна, оскільки сильно деформується в процесі релаксації, що призводить до неконтрольованої зміни діаметру нанотрубки та спотворень її геометричної форми)і нанотрубка, отримана шляхом видалення внутрішнього об’єму атомів із суцільного циліндра з ГЦК будовою. Останній варіант побудови срібної нанотрубки проявляє структурну стабільність за умови, що вісь нанотрубки співпадає з напрямком [110] ГЦК ґратки, її зовнішній діаметр становить 4,1 нм, а внутрішній – 2,3 нм. Така наночастинка структурно стабільна до температури 450 К та обмежено стабільна до температури 550 К, при якій вільні кінці нанотрубки закриваються, зберігаючи порожнину всередині наноструктури. Срібні нанострижні діаметром > 3,6 нм структурно стабільні до 950 К, а нанострижні діаметром 1,2 – 3,6 нм – до 450 К. також за умови, що вісь наночастинки співпадає з напрямком [110] ГЦК ґратки. Дослідження впливу деформації на структуру срібних наночастинок показало, що деформаційні процеси в срібних нанотрубках і нанострижнях з ГЦК будовою супроводжуються появою і рухом часткових дислокацій Шоклі. Розраховані на основі моделювання модулі Юнга для нанотрубки і нанострижня становлять 111 ГПа та 101 ГПа відповідно, що на 25-30 % перевищує модуль Юнга для макроскопічного срібла, а межа втрати стійкості для обох наночастинок становить 4,9 ГПа. Припускається, що такі високі показники механічних властивотей срібних наночастинок, у порівнянні з макроскопічним сріблом можуть бути наслідком виникнення на поверхні наночастинок стискаючих напружень, які протидіють деформації розтягу. До того ж, на відміну від макроскопічних зразків, де процеси деформації супроводжуються рухом уже наявних дислокацій, для утворення дисокацій в наночастинках потрібні значно більші напруження. Дослідження теплових властивостей структурно стабільної срібної нанотрубки та срібних нанострижнів різного діаметру (1,2 – 30 нм) показали, що коефіцієнт лінійного теплового розширення наночастинок малого діаметру (до 10,8 нм) зменшується зі зростанням температури, що пояснюється як вплив поверхні, яка відіграє ключову роль у властивостях нанорозмірних об’єктів. Встановлено можливість існування срібного нанострижня, який проявляє незмінний коефіцієнт лінійного теплового розширення в інтервалі температур 150 – 450 К. За результатами дослідження запропоновано спосіб отримання прецизійного матеріалу на основі срібних нанострижнів, діаметром 10-12 нм з орієнтацією осі, яка співпадає з напрямком [110] ГЦК ґратки. Для з’ясування атомних механізмів аномального масоперенесення було змодельовано кристал чистого ОЦК заліза з наявними в ньому крайовими дислокаціями та власним міжвузловим атомом, який піддавали деформації зі швидкостями 108 – 109 с-1 . Встановлено, що механізм аномального масоперенесення полягає у взаємодії рухомих крайових дислокації з міжвузловими атомами, а саме в тому що поля напружень рухомих крайових дислокацій взаємодіють з полями напружень навколо міжвузлових атомів, що приводить до руху міжвузлового атома в бік ядра дислокації, і в подальшому така дислокація продовжує свій рух з наявним міжвузловим атомом у її ядрі. Це є основним механізмом протікання дифузійних процесів у металах при низьких температурах, наприклад, при температурі рідкого азоту – 77 К. Для дослідження атомно-транспортних процесів в умовах імпульсного навантаження на межі роділу матеріалів з різним типом кубічної ґратки було змодельовано зразок, який складався з шару ГЦК алюмінію та ОЦК заліза, які прилягали один до одного і утворювали границю розділу. Результати дослідження показали, що на межі розділу двох матеріалів з різним типом кубічної ґратки процеси масоперенесення при імпульсному впливі протікають за рахунок утворення поблизу межі розділу дислокацій та міжвузлових атомів. При русі дислокацій МА наближаються до ядра рухомих дислокацій і далі МА дифундують по дислокаційним лініям. Таким чином, якщо лінія дислокації перпендикулярна до границі розділу, то МА з одного матеріалу по ядру дислокації рухатимуться в бік границі розділу, де потраплятимуть в область впливу ядра дислокації іншого матеріалу і продовжуватимуть свій рух по дислокаційній лінії в об’єм іншого матеріалу. За рахунок цього поблизу границі розділу утворюється перехідна зона з плавною зміною концентрації елементів. Розрахунок коефіцієнтів взаємної дифузії Al та Fe поблизу границі розділу показав високі коефіцієнти на початку деформаційного впливу та їх падіння з тривалістю деформації. Це пов’язано з активізацією механізмів дефектоутворення та аномального масоперенесення на початку прикладення напружень, як описано в розділі 1, а в подальшому зі скупченням в процесі деформації надмірної кількості дислокацій поблизу границі розділу, внаслідок чого ускладнюється їх рух, і атомно-транспортні процеси протікають не так інтенсивно. Взаємна кристалографічна орієнтація двох матеріалів з різною кубічною ґраткою також впливає на дифузійні та деформаційні процеси на границі розділу. Якщо площини найлегшого ковзання дислокацій перпендикулярні до границі, то подрібнення структури матеріалів при малій тривалості деформаційного впливу в моделюванні не спостерігається, на відміну від такої взаємної орієнтації кристалів, при якій площини найлегшого ковзання паралельні границі розділу. Дифузійні процеси на границі розділу найбільш інтенсивно протікають, якщо лінії наявних або утворених в матеріалі дислокацій перпендикулярні границі розділу. На основі отриманих результатів рекомендується підбирати такі режими деформаційного впливу на матеріал, при яких в матеріалі забезпечуватиметься протікання дифузійних процесів без підвищення температури, але при цьому не виникатиме подрібнення структури. Отримані в молекулярно динамічних дослідженнях результати щодо взаємної міграції атомів на границі розділу матеріалів з різним типом кубічної ґратки та утворення перехідної зони з плавною зміною концентрації елементів порівнювались з результатами енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії поперечного перерізу зразків сплаву Д16 після ультразвукової залізним бойком. Результати дослідження показали, щов процесі легування алюмінієвого сплаву бойком із Армко-заліза на поверхні утворюється легований шар, а в області зразка, що прилягає до легованого шару, формується дифузійна зона, яка становить 3.1 мкм при 90 с обробки та 4.6 мкм при 180 с обробки. Розраховані при цьому коефіцієнти взаємної дифузії Al та Fe зменшуються зі збільшенням тривалості обробки, що може свідчити про зростання кількості дислокацій поблизу границі розділу легованого шару і основи сплаву Д16, внаслідок чого їх рухливість погіршується і атомно-транспортні процеси на границі розділу сповільнюються. | |
| dc.description.abstractother | Soldatenko O.M. Accelerated mass transfer due to moving dislocations under pulse loading. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in speciality 132 - Materials Science - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to the study of atomic mechanisms of defect formation in metal nanoparticles with a face-centred cubic lattice, the atomic mechanism of accelerated mass transfer under pulse loading in metals with a volumecentred cubic lattice and mechanisms of atomic migration at the phase interface of two materials with different cubic lattices. The thesis consists of five chapters devoted to the analysis of literature sources on the properties of single-component metal nanoparticles, methods of their study, as well as their practical application, the effect of temperature and strain on mass transfer processes in metals, and methods of improving the properties of materials by deformation and chemical modification of the surface (Chapter 1), description of research methods and parameters (Section 2), mechanisms of defect formation and mass transfer in metals with a cubic lattice under the influence of pulse loading (Section 3), atomic migration and structural changes at the interface of metals with different cubic lattices (Section 4), and strain-diffusion processes in aluminium alloy D16 during mechanical alloying of its surface by ultrasonic impact treatment (Section 5). The last chapter shows the effects of deformation-diffusion processes occurring in metals at the atomic level on the macroscopic level by the example of the results of ultrasonic impact treatment with an Armco-iron pin of the aluminium alloy D16 (2024), which is widely used in the aerospace industry. The study of the mechanisms of defect formation in FCC crystals was carried out on the basis of molecular dynamics modelling of silver nanoparticles of various structures, which are currently used in sensor panels, electrodes for solar panels, etc. and can be used to create micro- and nanoelectromechanical systems. Nanoparticles of the nanorod and nanotube type were used as a basis for studying their temperature stability, mechanical and thermal properties. The stability of silver nanotubes with different structures was studied: A nanotube with a graphene-like structure of atoms in the plane of the nanotube wall (structurally unstable at room temperature), a nanotube obtained by twisting a thin film with a FCC structure (limitedly stable, since it is strongly deformed during relaxation, which leads to uncontrolled changes in the diameter of the nanotube and distortions of its geometric shape), and a nanotube obtained by removing the internal volume of atoms from a solid cylinder with a FCC structure. The latter variant of the silver nanotube construction exhibits structural stability, provided that the nanotube axis coincides with the direction [110] of the FCC lattice, its external diameter is 4.1 nm and the inner diameter is 2.3 nm. Such a nanoparticle is structurally stable up to a temperature of 450 K and limitedly stable up to a temperature of 550 K, at which the free ends of the nanotube close, preserving the cavity inside the nanostructure. Silver nanorods with a diameter of > 3.6 nm are structurally stable up to 950 K, and nanorods with a diameter of 1.2 - 3.6 nm - up to 450 K. Also, provided that the nanoparticle axis coincides with the direction [110] of the FCC lattice. The study of the effect of strain on the structure of silver nanoparticles has shown that deformation processes in silver nanotubes and nanorods with FCC structure are accompanied by the appearance and movement of partial Shockley dislocations. The modelled Young's modulus for the nanotube and nanorod are 111 GPa and 101 GPa, respectively, which is 25-30 % higher than the Young's modulus for macroscopic silver, and the stability loss limit for both nanoparticles is 4.9 GPa. It is assumed that such high values of the mechanical properties of silver nanoparticles, compared to macroscopic silver, may be due to the occurrence of compressive stresses on the surface of nanoparticles that counteract tensile deformation. In addition, unlike macroscopic samples, where deformation processes are accompanied by the movement of existing dislocations, the formation of dislocations in nanoparticles requires much higher stresses. The study of the thermal properties of a structurally stable silver nanotube and silver nanorods of different diameters (1.2-30 nm) has shown that the coefficient of linear thermal expansion of nanoparticles of small diameter (up to 10.8 nm) decreases with temperature increasing, which is explained by the influence of the surface, which plays a key role in the properties of nanoscale objects. The possibility of the existence of a silver nanorod, which exhibits a constant coefficient of linear thermal expansion in the temperature range of 150 - 450 K, has been established. A method for obtaining a precision material based on silver nanorods with a diameter of 10-12 nm and an axis orientation that coincides with the direction [110] of the FCC lattice was proposed based on the results of the study, To elucidate the atomic mechanisms of the abnormal mass transfer, a crystal of pure BCC iron with edge dislocations and its own interstitial atom was modelled and subjected to deformation at rates of 108 - 109 s -1. It has been established that the mechanism of abnormal mass transfer consists in the interaction of moving edge dislocations with interstitial atoms, namely, that the stress fields of moving edge dislocations interact with the stress fields around interstitial atoms, which leads to the movement of the interstitial atom towards the dislocation nucleus, and subsequently such a dislocation continues its movement with the existing interstitial atom in its nucleus. This is the main mechanism of diffusion processes in metals at low temperatures, for example, at the temperature of liquid nitrogen - 77 K. To study atomic transport processes under pulse loading at the interface of materials with different types of cubic lattice, a sample consisting of a layer of FCC aluminium and BCC iron adjacent to each other and forming an interface was modelled. The results of the study showed that at the interface of two materials with different types of cubic lattice, mass transfer processes under pulse impact occur due to the formation of dislocations and interstitial atoms near the interface. When the dislocations move, the interstitials approach the nucleus of the moving dislocations and then the interstitials diffuse along the dislocation lines. Thus, if the dislocation line is perpendicular to the interface, the interstitials from one material along the dislocation nucleus will move towards the interface, where they will fall into the area of influence of the dislocation nucleus of another material and continue their movement along the dislocation line into the volume of the other material. As a result, a transition zone with a smooth change in the concentration of elements is formed near the interface. The calculation of the coefficients of mutual diffusion of Al and Fe near the interface showed high coefficients at the beginning of the deformation effect and their decrease with the duration of deformation. This is due to the activation of the mechanisms of defect formation and abnormal mass transfer at the beginning of stress application, as described in Section 1, and subsequently to the accumulation of an excessive number of dislocations near the interface during deformation, which hinders their movement and atomic transport processes are not as intense. The mutual crystallographic orientation of two materials with different cubic lattices also affects diffusion and deformation processes at the interface. If the planes of easiest slip of dislocations are perpendicular to the interface, then the crushing of the material structure at a short duration of deformation is not observed in the simulation, in contrast to the mutual orientation of crystals, in which the planes of easiest slip are parallel to the interface. Diffusion processes at the interface are most intensive if the lines of dislocations existing or formed in the material are perpendicular to the interface. Based on the obtained results, it is recommended to select such modes of deformation impact on the material that will ensure the diffusion processes in the material without increasing the temperature, but will not cause the structure to be crushed. The results obtained in molecular dynamics studies on the mutual migration of atoms at the interface of materials with different types of cubic lattice and the formation of a transition zone with a smooth change in the concentration of elements were compared with the results of energy dispersive X-ray spectroscopy of the crosssection of 2024 alloy samples after ultrasonic iron alloying. The results of the study showed that during the alloying of an aluminium alloy with an Armco-iron pin, an alloyed layer formes on the surface, and a diffusion zone is formed in the sample area adjacent to the alloy layer, which is 3.1 m after 90 s of treatment and 4.6 m after 180 s of treatment. The calculated coefficients of mutual diffusion of Al and Fe decrease with increasing treatment duration, which may indicate an increase in the number of dislocations near the interface between the alloyed layer and the 2024mass alloy base, resulting in their mobility deterioration and slower atomic transport processes at the interface. | |
| dc.format.extent | 126 с. | |
| dc.identifier.citation | Солдатенко, О. М. Прискорене масоперенесення за рахунок рухомих дислокацій при імпульсному навантаженні : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Солдатенко Оксана Михайлівна. – Київ, 2023. – 126 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64424 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | срібні нанотрубки | |
| dc.subject | срібні нанострижні | |
| dc.subject | дефектоутворення | |
| dc.subject | аномальне масоперенесення | |
| dc.subject | молекулярна динаміка | |
| dc.subject | дифузія | |
| dc.subject | межа розділу фаз | |
| dc.subject | імпульсне навантаження | |
| dc.subject | ультразвукова ударна обробка | |
| dc.subject | silver nanotubes | |
| dc.subject | silver nanorods | |
| dc.subject | defect formation | |
| dc.subject | abnormal mass transfer | |
| dc.subject | molecular dynamics | |
| dc.subject | diffusion | |
| dc.subject | interface | |
| dc.subject | pulse loading | |
| dc.subject | ultrasonic impact treatment | |
| dc.subject.udc | 53.03; 539.2; 539.5 | |
| dc.title | Прискорене масоперенесення за рахунок рухомих дислокацій при імпульсному навантаженні | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Soldatenko_dys.pdf
- Розмір:
- 6.19 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: