Моделирование диффузии водорода по границам зерен в титане

Изучение систем металл водород актуально в связи с влиянием, которое
водород оказывает на механические свойства металлов и сплавов, а также с
развитием технологий водородной энергетики. Реальные твердые тела
никогда не обладают однородной структурой и, как правило, содержат
широкий набор дефектов. Все металлы и сплавы имеют зеренную структуру.
Размер и характеристики зерна сильно влияют на свойства материалов и
протекание в них различных процессов. Известно, что скорость диффузии по
границам зерен существенно выше, чем скорость диффузии в объеме
кристалла. В работе [1,2] на примере системы никель—водород, также
подтверждают, что диффузия водорода по границам общего типа ускоряется
[3].
Структурные дефекты в кристаллах, такие как границы зерен (ГЗ),
оказывают важное влияние на физико-химические свойства материалов и
особенно важны в материалах, состоящих из наноразмерных зерен. В
частности, ожидается, что поглощение и диффузия водорода в металлах будут
сильно зависеть от дефектов кристалла. Эти эффекты трудно измерить
напрямую, но некоторые экспериментальные работы были проведены для
решения этих и связанных с ними проблем. Общепризнано, что растворимость
водорода увеличивается при введении ГЗ. Это было измерено, например, в
алюминии Андрес Педерсоном [4]. Было обнаружено, что диффузия водорода
незначительно увеличивается на границе кручения, параллельной диффузии,
главным образом из-за конфигурации. Было замечено, что границы кручения
+ наклона уменьшают диффузию водорода из-за эффектов захвата. Однако в
этом исследовании рассматривалась диффузия только одного атома Н.
Корреляции можно ожидать, когда диффузия включает в себя более одного
атома H.
В настоящий момент есть много не решенные вопросы, связанных с
взаимодействием водорода с металлами. Из таких вопросов можно выделить:
взаимодействие водорода с различными дефектами таких как границ зерен в
кристаллических решетках, характеристики и механизм диффузии водорода в
металле.
Решение выше указанных вопросов с помощью экспериментов на
сегодняшний день весьма затруднительно, учитывая высокую подвижность
атомов водорода в металлах. В таком случае больше всего выгодным будет
применить метод компьютерного моделирования, который дает возможность
с точностью контролировать и учитывать исследуемого явления в рамках
созданный модели. Изучать движение процессов, проходящий на атомном
уровне с использованием разных визуализаторов структуры.
Цель работы состоит в изучении с помощью метода молекулярной
динамики (МД) процесса диффузии водорода в α-титане.
Диссертация содержит введение, три главы и заключение. В начале
первой главе диссертации изложен общий обзор имеющихся на сегодняшний
день о взаимодействия водорода с металлами. Цитируется описание влияние
водорода на качества металлов, выделяется перспективы исследование
металл-водорода. Рассматривается нынешние понятие о диффузии водорода в
металлах. В финале этой главы сделана постановка задачи.
Во второй главе описаны моделирование и диффузия водорода в
металлах методом МД. В начале излагаются основные аспекты и суть метода
МД. Даётся основание выбора потенциалов межатомных взаимодействий. В
конце главы описана методика построения потенциалов для систем титан –
водород.
Третья часть диссертации описывает особенности моделирования
взаимодействия H с Ti и приведены результаты расчета энергии образования
в α-титане с использованием потенциала метод погруженного (или
внедренного) атома (МПА) и исследования подвижность водорода в
дефектных (ГЗ) и не дефектных (идеальный) кристаллах. Полученные
результаты были сравнены между собой и с результатами других авторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Изучить методы построения границы зерна на атомном уровне.
2. Разработать алгоритм моделировании диффузии и расчета параметров
диффузии для метода МД.
3. Исследовать зависимость параметров диффузии от структуры
образца.
Научная новизна
Методом молекулярной динамики используя потенциал метода
погруженного атома с угловой зависимостью потенциала (МПА УЗП) был
определен коэффициент диффузии водорода в титане.
Определена энергия абсорбции водорода на ГЗ и в объеме зерна. И
установлено энергия границ зерен от угла разориентации для металла титан.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные
результаты как энергетические и диффузионные характеристики,
представления механизмов диффузии можно использовать для развития
теоретических представлений и для объяснение экспериментальных
результатов, связанных с диффузией водорода. Кроме этого, полученные
данные молекулярно-динамических исследований могут быть применены как
демонстрационного материала для обучающихся в физические
специальности, на их основе можно создать работы для лабораторного
практикума.
На защиту выполняется следующие положения:
1. Энергия абсорбции водорода в области границы зерна существенно
меньше, чем в бездефектной области. Граница зерна может служить
эффективной ловушкой для водорода.
2. Коэффициенты диффузии в образце, содержащем границу зерна
несколько ниже, чем в образце, имеющим идеальную структуру.