Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2020,  том 17,  №1, 97-104

 

Н.Ч.Х. Чунг1,2, Х.С.М. Фуонг1,2, В.А. Попов1†

Межатомный потенциал для моделирования радиационных повреждений в сплавах

1Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, пр. Ленина, 46, 656038, Барнаул, Россия
2Ядерный исследовательский институт, Далат, Вьетнам
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Предложен межатомный потенциал, пригодный для описания как термодинамически равновесных свойств, так и для радиационных повреждений в металлах и сплавах. В качестве исследуемого материала выбран сплав NiAl со сверхструктурой B2. Методом молекулярной динамики исследованы каскады смещений атомов в этом сплаве с энергиями первого атома, с которым сталкивается падающая частица, до 40 кэВ. Проведенное исследование позволило установить не только качественное и количественное согласие с результатами, известными из литературных источников, но и обнаружило что 1) пороговая энергия смещения атомов Ni в чистом металле никеля выше, чем в упорядоченном сплаве NiAl со сверхструктурой B2, в отличие от пороговой энергии атомов Al в сплаве NiAl со сверхструктурой B2, которая выше, чем в чистом металле алюминия; 2) эволюция пар Френкеля в сплаве существенно зависит от среднего значения кинетического спектра каскада атомных смещений, причем долгоживущими оказываются дефекты в сверхзвуковой и трансзвуковой фазе тогда, когда средние значения кинетического спектра близки к значению эффективной пороговой энергии смещения, само же число устойчивых пар Френкеля находится в линейной зависимости от энергии первого атома, с которым сталкивается падающая частица; 3) лавинное образование пар Френкеля в звуковой фазе возникает тогда, когда средние значения кинетического спектра каскадных атомов ниже эффективной пороговой энергии смещения, но выше энергии образования дефектов, при этом за максимальным значением числа пар Френкеля атомы каскада не обладают достаточной энергией для создания дополнительных дефектов; 4) замещающие последовательности столкновений интенсивно рассеивают каскадную энергию с образованием устойчивых пар Френкеля в сверхзвуковой фазе, а сфокусированные последовательности столкновений рассеивают энергию без какого-либо повреждения, без передачи каскадной энергии и массопереноса в звуковой фазе. 5) величина смещений замещающих атомов определяется расстоянием до ближайших соседей в идеальной решетке NiAl со сверхструктурой B2, причем число атомов на вершинах функции распределения атомных смещений, соответствующих расстоянию до ближайшего соседа, имеет такое же степенное распределение, как и функция диссипации каскадной энергии.

Ключевые слова: межатомный потенциал, радиационные повреждения, функции распределения атомных смещений, эволюция дефектов, молекулярная динамика, сплав NiAl.

УДК 538.911

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2020.01.016


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 17, No.1 (2020) 97-104

 

N.T.H. Trung1,2, H.S.M. Phuong1,2, V.A. Popov1†

Interatomic potential for modeling radiation damage in alloys

1I.I. Polzunov Altai State Technical University, Lenin Pr., 46, Barnaul, 656038, Russia
2Nuclear Research Institute, Da Lat, Vietnam

An interatomic potential suitable for describing both thermodynamically equilibrium properties and radiation damage in metals and alloys is proposed. As the studied material, NiAl alloy with B2 superstructure was chosen. The molecular dynamics method was used to study cascades of atomic displacements in this alloy with energies of the first atom that the incident particle collides with up to 40 keV. The study made it possible to establish not only qualitative and quantitative agreement with the results known from literature, but also found that 1) the threshold energy of displacement of Ni atoms in pure nickel metal is higher than in the ordered NiAl alloy with superstructure B2, in contrast to the threshold energy of atoms Al in NiAl alloy with superstructure B2, which is higher than in pure aluminum metal; 2) the evolution of Frenkel pairs in the alloy substantially depends on the average value of the kinetic spectrum of the cascade of atomic displacements, and defects in the supersonic and transonic phases turn out to be long-lived when the average values of the kinetic spectrum are close to the effective threshold bias energy, while the number of stable Frenkel pairs is in linear dependence on the energy of the first atom with which the incident particle collides; 3) the avalanche formation of Frenkel pairs in the sound phase occurs when the average kinetic spectrum of cascade atoms is lower than the effective threshold bias energy, but higher than the defect formation energy, while the cascade atoms do not have enough energy to create additional defects behind the maximum number of Frenkel pairs; 4) substitute collision sequences intensively scatter cascade energy with the formation of stable Frenkel pairs in the supersonic phase, and focused collision sequences scatter energy without any damage, without transfer of cascade energy and mass transfer in the sound phase. 5) the displacement of substituting atoms is determined by the distance to the nearest neighbors in an ideal NiAl lattice with B2 superstructure, and the number of atoms at the vertices of the distribution function of atomic displacements corresponding to the distance to the nearest neighbor has the same power distribution as the cascade energy dissipation function.

Keywords: interatomic potential, radiation damage, atomic displacement distribution function, defect evolution, molecular dynamics, NiAl alloy.