Філатов, Олександр ВалентиновичСолдатенко, Оксана Михайлівна2024-02-092024-02-092023Солдатенко, О. М. Прискорене масоперенесення за рахунок рухомих дислокацій при імпульсному навантаженні : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Солдатенко Оксана Михайлівна. – Київ, 2023. – 126 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64424Солдатенко 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.126 с.ukсрібні нанотрубкисрібні нанострижнідефектоутворенняаномальне масоперенесеннямолекулярна динамікадифузіямежа розділу фазімпульсне навантаженняультразвукова ударна обробкаsilver nanotubessilver nanorodsdefect formationabnormal mass transfermolecular dynamicsdiffusioninterfacepulse loadingultrasonic impact treatmentThesis Doctoral53.03; 539.2; 539.5