2
ОГЛАВЛЕНИЕ
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛАМИ 16
1.1. Диаграмма состояния системы Ре-Н 16
1.2. Адсорбция и диффузия водорода в металлах 17
1.3. Атомная декогезия в системах металл-водород 23
1.4. Локализованная пластичность в системах металл-водород 26
1.5. Выводы но главе 1 27
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ МЕТАЛЛ-ВОДОРОД 28
2.1. Определение межатомного взаимодействия в моделях 28
2.1.1. Потенциалы парного взаимодействия 29
2.1.2. Недостатки подходов, учитывающих только парное взаимодействие 32
2.1.3. Метод погруженного атома (ЕАМ) 34
2.1.4. Модифицированный метод погруженного атома
(МЕАМ) 38
2.1.5. Потенциал с угловой зависимостью (АПР) 39
2.1.6. Расчет функций межатомного взаимодействия для системы Ре-Н 40
2.1.6.1. Подготовка потенциалов взаимодействия для одиокомпонентных систем 41
2.1.6.2. Методика расчета взаимодействия Ре-Н 49
2.1.6.3. Расчет взаимодействия Ре-Н 50
2.2. Разработка программного комплекса 55
3
2.2.1. Некоторые особенности программных комплексов ЬАММРБ и МГЯЕАМ
2.2.2. Основные положения метода молекулярной динамики
2.2.2.1. Основные схемы интегрирования уравнений движения
2.2.2.2. Моделирование в приближении различных ансамблей
2.2.3. Разработка алгоритмов численного моделирования и программного пакета МООМР
2.2.3.1. Реализация алгоритмов метода молекулярной динамики
2.2.3.2. Снижение нагрузки на СРи
2.2.3.3. Построение параллельных модулей . с применением технологии ОрепМР
2.2.3.4. Тестовые расчеты
2.3. Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА НА ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ ЖЕЛЕЗА
3.1. Исследование деформированных состояний в кристаллах а-¥с
3.1.1. Описание модели и методики вычислительного эксперимента
3.1.2. Результаты и обсуждение
3.2. Исследование влияния водорода на теоретическую прочность кристаллов а-¥е
3.2.1. Описание модели и методики вычислительного эксперимента
55
57
58
60
63
63
65
70
76
78
79
79
80
83
88
89
3.2.2. Результаты и обсуждение
3.3. Исследование влияния водорода на прочностные свойства кристалла аЛе, содержащего объемный кристаллический дефект
3.3.1. Описание модели и методики вычислительного эксперимента
3.3.2. Результаты и обсуждение
3.4. Проверка адекватности ЕАМ приближения при получении диаграмм растяжения
3.5. Выводы по главе 3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С1ШСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
мд
гцк
оцк
F
к
N
*с
v,
V
т
р,
р
р
I * >
ADP
DFT
ЕАМ
IIEDE
HELP
молекулярная динамика; гранецентрированная кубическая решетка; объемно-центрированная кубическая решетка; равновесный параметр кристаллической решетки; функция погружения; постоянная Больцмана; число атомов в системе; тензор механических напряжений;
расстояние между частицами / и j;
радиус обрезания потенциала;
скорость час тицы i;
объем системы атомов; абсолютная температура; функция парного взаимодействия;
функция атомной электронной плотности; результирующая электронная плотность в кристалле обозначение волновой функции; угловой потенциал (angular-dependent potential); теория функционала плотности (density functional theory); метод погруженного атома (embedded-atom method); декогезия, вызванная водородом (hydrogen-enhanced decohesion);
локальная пластичность, вызванная водородом (hydrogen-enhanced localized plasticity).
6
ВВЕДЕНИЕ
Впервые о влиянии водорода на механические свойства металлов упоминается Джонсоном [1], [2] в 1875 г., где сообщается о снижении, напряжений вязкого и хрупкого разрушений стали при наличии водорода. Позже подобное явление было обнаружено и в других металлических системах. Однако в настоящее время нет четкого понимания механизмов водородного охрупчивания металлов.
Водород значительным образом изменяет свойства почти всех металлов. Исключение составляют Си, Аи, Ag и \У, хотя, возможно, что при определенных условиях влияние водорода также имеет место [3]. Водород также образует хрупкие гидридные фазы с металлами N6, V, Ъх, Т1 и сплавами на их основе. Кроме того, взаимодействие с водородом, например, титановых сплавов может приводить не только к охрупчиванию, но и (при определенных технологических условиях) к пластифицированию вплоть до появления водородной сверхпластичности, то есть к противоположному результату [4, 5]. Также явление сверхпластичности обнаружено в железе при температуре полиморфного превращения [6].
В течение последних десятилетий большим вниманием в кругу исследователей пользуется система Рб-Н [7, 8, 9, 10] из-за перспективы практического применения (палладий является основным материалом для диффузионной очистки водорода [11] и применяется в качестве катализатора при получении водорода из углеводородов). Кроме того, система Рс1-Н является модельной при изучении систем металл-водород. Также большой интерес вызывает система 7д>Н из-за ряда интересных особенностей, вызванных фазовыми переходами в подрешетке водорода (см., например, [12, 13]), и склонности Ъх к сильному наводороживанию и охрупчиванию [141.
Актуальность темы. Исследование физических механизмов водородного охрупчивания и деградации механических свойств
<
7
металлических материалов является фундаментальной научной задачей [15]. Имеющиеся в настоящее время актуальные научно-технологические «открытые» вопросы касаются:
1 Металловедческих аспектов технологической совместимости водородных и металлических сред.
2 Взаимосвязи процессов старения металлических материалов с явлением водородного охрупчивания.
3 Возрастающей актуальности водородной энергетики и связанных с ней задач получения, применения, хранения и транспортировки водорода.
Рассмотрим более подробно аспекты данной проблемы. Экспериментально установлены следующие основные особенности поведения систем сталь-водород [16]:
- растворимость водорода в стали зависит от температуры и подчиняется закону Сивсртса;
- коэффициент диффузии водорода в ОЦК-сплавах железа аномально высокий по сравнению с другими примесями;
растворенный водород взаимодействует с дефектами кристаллического строения, конденсируясь в энергетических ловушках;
- хрупкость максимально проявляется в ОЦК-сплавах железа -ферритных сталях, в значительно меньшей степени - в аустенитных;
- при повышении концентрации водорода его влияние усиливается, достигая определенного уровня;
- сильный эффект охрупчивания может возникать при следовых (меньше единицы ppm) концентрациях;
- как правило, хрупкость обратима - после удаления водорода из металла свойства полностью восстанавливаются;
- водородная хрупкость становится необратимой при увеличении концентрации водорода выше некоторого критического уровня или при увеличении длительности его взаимодействия с металлом;
/
- чувствительность к водородному охрупчиванию определяется микроструктурой стали;
- степень охрупчивания зависит от величины, вида и распределения напряжений;
- влияние водорода ослабляется с повышением скорости деформации;
- хрупкость максимально проявляется при температуре металла, близкой к нормальной;
- степень охрупчивания зависит от концентрации углерода в металле;
- концентраторы напряжений значительно усиливают действие водорода.
Также считается, что хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше растворимость водорода в кристаллической решетке. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой [17].
Из вышесказанного очевидно, что проблема водородного охрупчивания сложна и специфична. Несмотря на интенсивные исследования в данной области в течение последних десятилетий, водородная деградация металлов все еще остается нерешенной проблемой физики металлов, теоретического и практического материаловедения [16].
За время изучения систем металл-водород предложено множество механизмов влияния водорода на свойства металлов, вот некоторые из них [2, 3]:
- механизмы, включающие в себя давление водорода в объеме металла, то есть давление водорода в пустотах металла вызывает значительное напряжение для образования и распространения трещины;
- снижение прочности связи решетки металла при наличии водорода -I lEDE-механизм (hydrogen-enhanced decohesion);
- аккумуляция водорода на частицах различных включений (в том числе частицах второй фазы), что приводит к образованию дислокаций, образованию и распространению трещин;
- образование, рост и раскалывание хрупких гидридов;
- снижение энергии дефектов упаковки при наличии водорода, что усиливает возможность скольжения по плоскостям упаковки;
- образование микротрещин и микропор из-за увеличения плотности вакансий, вызванных напряжением, и их стабилизации водородом;
- испускание дислокаций с поверхности, вызванное адсорбцией водорода;
- появление усиленной водородом локальной пластичности - HELP-механизм (hydrogen-enhanced localized plasticity).
Наиболее жизнеспособными механизмами в настоящее время считают (см., например, [1В]): механизм усиленной водородом локальной
пластичности (HELP-механизм) [19-26], механизм индуцированной водородом атомной декогезии (HEDE-механизм) [27-32], механизм образования хрупких гидридов [33, 34].
В ряде публикаций (см., например, [35]) помимо трех перечисленных называется еще один механизм, связанный с эмиссией дислокаций, вызванной адсорбцией (AIDE - adsorption induced dislocation emission). Отдельно стоит отметить работу [36], в которой явление водородного охрупчивания представлено как фазовый переход первого рода.
Металлом для исследования в настоящей работе выбран Fe. Такой механизм как охрупчивание вследствие образования гидридов признан для железа несостоятельным [37]. Железо образует гидриды FeH лишь при высоких давлениях и низких температурах [38].
Задачи, которые могут быть поставлены в научной работе по данной теме, обусловлены следующими научными проблемами. Отсутствуют прямые экспериментальные свидетельства в пользу HEDE-механизма,
10
поэтому данный механизм вызывает множество разногласий и споров. HELP-механизм хорошо подтвержден экспериментальными результатами, однако полная картина деградации свойств металлов не сформирована. Кроме того, отсутствует теоретическое обоснование HELP-механизма. Численное моделирование, которое находится на стыке экспериментальной и теоретической научных областей, является мощным инструментом, и позволит улучшить понимание механизмов протекания процессов водородного охрупчивания.
Объектом исследования является проблема водородного охрупчивания в системе Fe-H.
Предметом исследования являются процессы охрупчивания и деградации механических свойств железа под влиянием водорода, математические модели таких процессов; межатомное взаимодействие в системе Fe-H.
Цель работы заключается в исследовании влияния водорода на механические свойства железа методом классической молекулярной динамики.
Достижение поставленной цели возможно посредством решения следующих задач:
- разработать математические модели и методики вычислительных экспериментов по моделированию влияния водорода на прочностные свойства ОЦК-Fe;
- рассчитать функции межатомного взаимодействия в рамках ЕАМ-приближения (Метод погруженного атома - Embedded-atom method) для системы Fe-H;
- провести вычислительные эксперименты по моделированию деформированных состояний в идеальных системах ОЦК-Fe; численно' выявить особенности деформаций вдоль различных кристаллографических направлений;
11
- численно выявить влияние объемных кристаллических дефектов на динамику деформации кристаллов ОЦК-Ре;
- провести вычислительные эксперименты по моделированию деформированных состояний в системе Ре-Н;
- определить влияние водорода на динамику деформации и прочностные свойства ОЦК-Ре;
- разработать программный комплекс, позволяющий проводить расчеты методом классической молекулярной динамики систем металл-водород и осуществлять анализ полученных результатов.
Методы исследования. Все вычислительные эксперименты проведены методом классической молекулярной динамики с применением потенциалов в ЕАМ-приближении. В работе использованы технологии объектно-ориентированного программирования. Программно-
инструментальные средства реализованы с помощью языка программирования С++ и технологии параллельного программирования ОрепМР.
Достоверность научных положений и выводов обеспечена корректной математической постановкой задачи. Большинство расчетов проведены двумя программными комплексами с применением различных функций межатомного взаимодействия. Полученные результаты показали хорошее соответствие результатам натурных экспериментов [39-41], первонринцигшых [27, 30], молекулярно-динамических [42, 43] расчетов.
На защиту вынося гея:
- функции межатомного взаимодействия для системы Ре-Н в БАМ приближении;
- результаты вычислительных экспериментов по моделированию' деформированных состояний в кристаллических системах Ре;
- результаты вычислительных экспериментов по моделированию влияния водорода на механические характеристики железа;
- Київ+380960830922