Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 10, стр. 80-83

ВВЕДЕНИЕ

Наложение слабого магнитного поля (МП) в процессе искусственного старения может приводить к изменению прочностных свойств диамагнитных сплавов. Данное явление было названо магнитопластическим эффектом (МПЭ). На данный момент МПЭ был обнаружен в ряде диамагнитных металлов и сплавов на основе меди, алюминия, титана [1–5]. Те не менее, удовлетворительная модель МПЭ в диамагнитных металлах и сплавах пока отсутствует. В связи с этим в данной работе предлагается численный эксперимент для обнаружения возможных механизмов МПЭ.

МЕТОДИКА

В работе исследовалась идеальная ГЦК-решетка с наложением периодических граничных условий и добавлением четырех симметричных винтовых дислокаций по краям кристалла и дислокационного кольца в центре (рис. 1). В частном случае число атомов равно 1728.

Рис. 1.

Моделируемая структура: а – положение атомов, б – дислокационная структура.

Для данной структуры рассматривались случаи: чистого никеля; чистой меди, Cu–10 ат. % Ni со случайным распределением никеля; Cu–10 ат. % Ni с никелем, сегрегированным на дислокациях; Ni–10 ат. % Cu со случайным распределением никеля; Ni–10 ат. % Cu с медью, сегрегированной на дислокациях.

В программе Lammps [6, 7] методом молекулярной динамики был поставлен численный эксперимент на растяжение данной структуры при разных величинах индукции внешнего МП и при температуре равновесия энергии тепловых колебаний атомов и спинового обменного интеграла для никеля, равной ~700 К для выбранных потенциалов обменного взаимодействия.

Для расчетов использовался ЕАМ-потенциал, разработанный для системы FeCuNi [8]. Взаимодействие спинов (атомов никеля) учитывалось согласно работе [6]. Так как исходный ЕАМ-потенциал был оптимизирован для описания структуры никеля при температуре 0 К без учета спин-спин взаимодействий, вклад коллинеарных спинов был вычтен добавлением эффективного парного Ni–Ni-потенциала, который компенсирует спиновые взаимодействия в ферромагнитном состоянии. Показано, что когезионная энергия, энергия точечных и протяженных дефектов при Т = 0 К описывается правильно.

Выполнены предварительные расчеты коэффициента теплового расширения рассматриваемых материалов без учета и с полным учетом спинового взаимодействия. Показано, что учет взаимодействия спинов приводит к улучшенному соответствию результатов расчетов и эксперимента. Все эти предварительные расчеты были выполнены при отсутствии внешнего поля.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате анализа расчетов с учетом приложенного внешнего магнитного поля были получены следующие результаты. Наложение МП разной величины фактически не приводило к каким-либо изменениям структуры, дислокаций, скорости движения дислокаций, напряжений для чистого никеля, меди и сплавов Cu–Ni со случайным распределением добавки (рис. 2). Линии для других значений поля не приведены, так как близки к данным значениям.

Рис. 2.

Диаграмма деформирования чистого никеля.

Для структур Cu с сегрегированной на дислокациях добавкой Ni и для структур Ni с сегрегированной добавкой Cu МП также не повлияло на скорость движения дислокаций. Но при этом изменились напряжения (рис. 3).

Рис. 3.

Диаграмма деформирования никеля, сегрегированного в дислокациях.

Изменение напряжений не коррелирует с величиной поля. Начало изменения напряжений связано с первыми взаимодействиями дислокаций между собой. При разной величине индукции внешнего МП это взаимодействие слегка отличается и после него изменяется дислокационная структура. Так, первое взаимодействий дислокаций для Cu–10 ат. % Ni с атомами Ni, сегрегированными в дислокациях, произошло при относительной деформации 0.034. А спустя какое-то время при относительной деформации, равной 0.051, уже очевидно (рис. 4), что изменения дислокационной структуры напрямую зависят от величины индукции внешнего МП.

Рис. 4.

Дислокационная структура при различных значениях индукции внешнего поля в Тл: а – 0, б – 1 в – 5, г – 10 Тл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен численный эксперимент на растяжение Cu–Ni разного состава во внешнем МП. Показано отсутствие влияния МП на структуры с равномерным распределением атомов и на скорость движения дислокаций в исследованных структурах. Для структур с отличной магнитной проницаемостью атомов, сегрегированных на дислокациях, установлен эффект разного взаимодействия дислокаций, зависящего от величины индукции МП. Показано, что данные взаимодействия приводят к разным дислокационным структурам. На основании всего вышесказанного логично заключить, что данный эффект многофакторный, и для его реализации должны соблюдаться ряд условий: наличие магниточувствительных атомов, элементная и дислокационная структура, величина МП, определенная температура.

Таким образом, данные работы могут быть полезны для определения одного из механизмов МПЭ с помощью сопоставления условий наблюдения эффекта в реальном и численном эксперименте.