книги / Моделирование на ЭВМ дефектов в металлах

А К А Д Е М И Я Н А У К С С СР

ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А. Ф. ИОФФЕ

МЕЖДУВЕДОМСТВЕННЫЙ КООРДИНАЦИОННЫЙ СОВЕТ В ЛЕНИНГРАДЕ НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО ПРОБЛЕМЕ

«РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА»

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ

ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛАХ

Сборник научных трудов

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р

акад. 10. А. ОСИ ПЬЯН

ЛЕНИНГРАД

« Н А У К А»

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1990

школы были опубликованы в 1980 г. в виде отдельного сбор­ ника [14]. Вторая всесоюзная школа по моделированию на ЭВМ дефектов в кристаллах работала в Криворожском педагогическом институте в 1982 г., ее материалы также были опубликованы (см. [15]). С тех пор прошло семь лет, число молодых специалистов н ученых, работающих в области машинного моделирования, в по­ следние годы неуклонно возрастало. Поэтому назрела необходи­ мость проведения Третьей всесоюзной школы по моделированию на ЭВМ дефектов в металлах, которая состоялась в 1989 г.

В предлагаемом читателям сборнике представлена часть лек­ ций, подготовленных ведущими специалистами страпы для Тре­ тьей школы. В этих материалах подобраны не только работы, обоб­ щающие и развивающие достижения в области ЭВМ-эксперимента (статьи В. В. Кирсанова, Г. В. Знненковой, Н. П. Лпходедова, Л. К. Фпоновой, М. С. Блантера, В. С. Бойко, А. Е. Кива и др.), но п работы, характеризующие состояние исследований в области теоретического и экспериментального изучения дефектов, где воз­ можно, а порой н необходимо применение атомного моделирования на ЭВМ пли использование ЭВМ для решения сложных систем пнтегродпфференцпальных уравнений (статьи Б. А. Гринберг,

В.А. Лихачева, 10. В. Трушина, 10. М. Платова, Ф. В. Пирогова

идр.).

Для полноты представления о состоянии исследований в стране в области моделирования па ЭВМ дефектов в кристаллах, по-ви- дпмому, целесообразно отослать читателей к серии сборников, выпускаемых Физико-техническим институтом нм.. А. Ф. Иоффе АН СССР, в которых публикуются в кратком изложении ориги­ нальные работы [15—24].

Хочется надеяться, что сборник будет полезен в первую оче­ редь молодым исследователям, которые начали в последние годы работать в очень интересной и захватывающей области физики дефектов в кристаллах и в особенности в области моделирования дефектов на ЭВМ, а также физикам, занимающимся проблемами твердого тела и материаловедения.

Составитель сборника, зам. председателя Секции теории и моделирования

на ЭВМ радиационных дефектов в кристаллах Научного совета АН СССР по проблеме «Радиационная физика твердого тела»,

зам. научного руководителя Всесоюзного постоянного семинара по моделированию на ЭВМ радиационных и других дефектов в кристаллах, д-р физ.-мат. наук

Ю. В. Трушин

В ряде случаев современная аппаратура из-за своего недоста­ точного разрешения не позволяет наблюдать атомные перестройки в материалах, например отдельные атомные скачки при диффузии, растворение и рост предвыделений второй фазы в сплавах и т. д.

Чтобы преодолеть перечисленные трудности и воссоздать быстроразвпвающиеся процессы в материалах, перестройки на атомном уровне пли процессы, когда доступ к материалам ограни­ чен пли опасен, все чаще и чаще начинает привлекаться вычисли­ тельный эксперимент (ЭВМ-эксперимент, ЭВМ-моделирование). Предпосылками для его расширяющегося внедрения в материаловедческие исследования служат высокий уровень развития фи­ зического материаловедения и физики твердого тела, а также все увеличивающаяся мощность современных ЭВМ.

С помощью вычислительного эксперимента уже получены важ­ ные результаты в различных разделах материаловедения. Ниже будут приведены отдельные примеры успешного применения ЭВМ-моделнрования при изучении радиационного повреждения материалов и их механических свойств, при анализе процессов диффузии и плавления, при определении реальной структуры новых материалов (таких как аморфные металлы и высокотемпе­ ратурные сверхпроводники), при оптимизации состава материа­ лов, когда к их свойствам предъявляются заданные требования.

РАДИАЦИОННОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Пионером использования ЭВМ-эксперпмента оказалось ра­ диационное моделирование.

Мощным стимулом интенсификации исследований в области облучаемых материалов (радиационное материаловедение) послу­ жил бурный рост атомной энергетики и широкое развитие работ в области термоядерного синтеза. Материалы, попадая в условия высоких потоков нейтронов (до 101с нейтронов/(см2*с)) и больших флюенсов (до 1023—1024 нейтронов/см2), претерпевают значитель­ ные структурные перестройки (радиационное повреждение). След­ ствием этих перестроек является резкое изменение их свойств. Ранее ничего подобного не встречалось в обширной практике работ с различными материалами. Так были обнаружены абсолютно но­ вые явления, происходящие с облучаемыми материалами: радиа­ ционное охрупчивание, радиационное распухание неделящпхся металлов и сплавов, радиационное упрочнение, ускоренная диф­ фузия, радиационно-индуцированные фазово-структурные пре­ вращения и др. И следует ожидать, что этот перечень будет про­ должен, так как работы в области термоядерного синтеза ставят материалы в еще более жесткие условия, например облучение ней­ тронами с энергией до 14 МэВ. Проектирование и создание метал­ лургических реакторов требует от материалов устойчивости в об­ ласти высоких температур (Г«*1500 °С) при одновременном воз­ действии мощного излучения.

7

дефектов: межузельные атомы выбрасывались на периферию ка­ скада, образовывалась внутренняя зона, обогащенная вакансиями (обедненная зона). Была открыта анизотропия пороговой энергии смещения (атома из своего узла) и изучено влияние на нее тепло­ вых колебаний атомов, обнаружены зоны спонтанной рекомбина­ ции вакансий и межузельных атомов (пар Френкеля) и дана оценка их объемов, обнаружена обусловленная тепловыми колебаниями локализация каскадов соударений [4].

Анализ динамики радиационных повреждений при более вы­ соких энергиях первнчпо выбитых атомов (Е ^> 1—2 кэВ) потре­

бовал усовершенствования процедуры моделирования, так как с увеличением энергии ИВА резко увеличивался объем кристалла, охваченный каждым каскадом атом-атомных соударений, а сле­ довательно, резко увеличивалось число связанных уравнений движения атомов. Использовались различные приемы для преодо­ ления этого затруднения: создавались библиотеки нпзкоэнергетических каскадов, из которых затем формировались более круп­ ные; применялись приближения бннарпых соударений и т. д. [5].

Все это позволило достаточно детально разобраться в физике высокоэнергетическнх каскадов. Был проведен анализ послекаскадных дефектных структур (распределения различного рода де­ фектов по размерам) в зависимости от энергии первично выбитого атома. Было объяснено экспериментально обнаруженное явление расщепления каскадов от высокоэнергетическнх ПВА (энергия порядка десятков килоэлектронвольт) па субкаскады [6, 7].

Вторая большая серия задач (выходящих за рамки радиацион­ ного материаловедения), где нашел широкое применение вычис­ лительный эксперимент, была связана с изучением сложных атомных конфигураций дефектов кристаллической решетки [8, 9], в частности тех, которые остаются после прохождения каскадов соударений в облучаемых материалах. Использование ЭВМэксперпмента для определения атомных конфигураций дефектов было вызвано большими трудностями их непосредственного наб­ людения, особенно в тех случаях, когда они претерпевают различ­ ного рода перестройки: захват примесями мигрирующих атомов, аннигиляция разноименных дефектов и т. д.

Не останавливаясь здесь на самих методах моделирования атом­ ных конфигураций и реакций взаимодействия между дефектами (подробное их описание читатель найдет в [9]), приведем харак­ терные результаты по отдельным дефектным конфигурациям.

Методами ЭВМ-эксперпмента была получена новая информа­ ция даже об атомной структуре простейших дефектов. Так, было обнаружено [3], что в кубических металлах энергетически наи­ более выгодной конфигурацией является «гантель», состоящая пз межузельного атома и атома, смещенного со своего места в узле кристаллической решетки. Первоначально эта конфигурация вы­ зывала большое недоверие, как продукт именно ЭВМ-эксиерпмепта. В настоящее время гантельная конфигурация межузельных атомов получила множество экспериментальных подтверждений [10].

9