Моделирование диффузии водорода по границам зерен в титане
В результате исследования было определено, что коэффициенты диффузии, полученные методом молекулярной динамики, подчиняются уравнению Аррениуса, т.е. с ростом температуры увеличивается и коэффициенты диффузии. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными и другими расчетами.
Результаты исследований могут быть полезны для исследователей, изучающих системы металл-водород, а также в области материаловедения, авиаконструкция и водородной энергетики. Кроме того, для теоретиков, работающих в области молекулярно-динамических расчетов, данные расчеты позволят оценить границы применимости используемого потенциала взаимодействия.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13
Глава 1. Взаимодействие водорода с металлами ……………………………………….. 16
1.1. Особенности взаимодействия водорода с металлами ……………………….. 16
1.2. Диффузия водорода в ГПУ решетке. ……………………………………………….. 18
1.3. Влияние температуры на процесс диффузии ……………………………………. 22
1.4. Характеристика границ зерен. …………………………………………………………. 24
1.4.1. Большеугловые и малоугловые границы. …………………………………… 26
1.4.2. Границы наклона и кручения …………………………………………………….. 27
1.4.3. Энергия и объем межзеренных границ……………………………………….. 27
1.4.4. Метод РСУ ………………………………………………………………………………… 28
1.5. Влияние границы зерен на процесс диффузии …………………………………. 29
Глава 2. Метод моделирования диффузионных процессов ………………………… 32
2.1. Метод молекулярной динамики ………………………………………………………. 33
2.2. Межатомные потенциалы ……………………………………………………………….. 35
2.2.1. Парные потенциалы …………………………………………………………………… 35
2.2.2. Потенциал «погруженного атома» ……………………………………………… 38
2.2.3. Модифицированный потенциал “погруженного атома” (MEAM). . 39
2.3. Программа LAMMPS………………………………………………………………………. 41
Глава 3. Моделирование структур TiH ……………………………………………………… 43
3.1. Построение структуры TiH в программе LAMMPS………………………….. 43
3.2. Результаты исследования ………………………………………………………………… 50
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение…………………………………………………………………………………… 57
4.1. Потенциальные потребители результатов исследования ………………….. 57
4.2. Анализ конкурентных технических решений …………………………………… 58
4.3. SWOT-анализ………………………………………………………………………………….. 61
4.4. Оценка готовности научного проекта к коммерциализации ……………… 62
4.5. Выбор метода коммерциализации результатов научно-технического
исследования ………………………………………………………………………………………… 63
4.6. Организационная структура проекта. ………………………………………………. 63
4.7. Составление календарного плана проекта ……………………………………….. 63
4.8. Бюджет научного исследования ………………………………………………………. 66
4.9. Реестр рисков проекта …………………………………………………………………….. 71
4.10. Оценка сравнительной эффективности исследования …………………….. 71
Глава 5. Социальная ответственность ……………………………………………………….. 75
5.1. Анализ вредных факторов производственной среды ………………………… 75
5.1.1. Микроклимат …………………………………………………………………………….. 75
5.1.2. Производственный шум …………………………………………………………….. 77
5.1.3. Электромагнитные поля …………………………………………………………….. 78
5.1.4. Освещенность ……………………………………………………………………………. 80
5.2. Анализ опасных факторов производственной среды ………………………… 83
5.2.1. Электробезопасность …………………………………………………………………. 83
5.2.2. Факторы пожарной и взрывной природы……………………………………. 86
5.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………… 87
5.4. Защита в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………….. 88
5.5. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 89
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 91
Список использованных источников ………………………………………………………… 92
Приложение А …………………………………………………………………………………………. 98
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.
В настоящей работе проведено исследование поведение водорода в гпу
титане с идеальной структурой и структурой, содержащей межзеренную
границу.
В результате расчетов было установлено, что адсорбция атома водорода
на границе зерен энергетически намного эффективнее, чем в идеальной
решетке. Следовательно, атомы водорода должны накапливаться на границе
зерен.
Коэффициент диффузии атома водорода в решетке, содержащей
границу зерна ниже, чем в идеальной решетке. Вероятно, это связано с
ограничением движения для абсорбированных на границе атомах водорода.
Однако, чтобы однозначно интерпретировать влияние межзеренных
границ на диффузию, необходимо провести расчеты для систем большего
масштаба.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.6 (71 отзыв)
5 (18 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (428 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
5 (21 отзыв)
5 (8 отзывов)
