МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО СВОБОДНОГО ОБЪЕМА НА СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В НИКЕЛЕ

10.25712/ASTU.1811-1416.2022.01.006

Аннотация

Методом молекулярной динамики проведено исследование зависимости скорости движения фронта кристаллизации в никеле от избыточного свободного объема. Расчетные ячейки имели форму вытянутых параллелепипедов. На торцах параллелепипеда кристаллическая структура была зафиксирована, что имитировало стартовое положение фронта гетерогенной кристаллизации. Рассматривались три разные ориентации фронта относительно растущего кристалла: (100), (110) и (111). Для описания межатомных взаимодействий использовался многочастичный потенциал Клери-Росато, построенный в приближении сильной связи. Свободный объем вводился в модели на начальном этапе путем задания определенной концентрации вакансий. Концентрирование избыточного свободного объема и формирование вакансионных кластеров происходило преимущественно в последнюю очередь, на заключительной стадии кристаллизации. Введение избыточного свободного объема приводило к снижению скорости кристаллизации. С одной стороны, наличие избыточного свободного объема должно приводить к снижению энергии активации самодиффузии, но, с другой стороны, по всей видимости, формирование микропор и вакансионных кластеров происходило вблизи границы растущего кристалла, вследствие чего снижался доступ атомов со стороны жидкой фазы к границе кристалла. При высоких концентрациях, составляющих несколько процентов, формирование части кластеров происходило уже на ранних стадиях роста кристалла, но большая их часть, тем не менее, располагалась в месте встречи двух фронтов от разных торцов расчетной ячейки. Быстрее кристаллизация протекала при ориентации фронта (100), медленнее – при ориентациях (110) и (111). Анизотропия скорости кристаллизации связана с разностью свободных энергий атома вблизи границы в жидкой фазе и «встроенного» в границу растущего кристалла, которая зависит от ориентации границы и, в частности, коррелирует с энергией адатома на соответствующей свободной поверхности кристалла.