Путь фазового превращения в алюминии при линейном сжатии; моделирование и экспериментальное исследование

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 18954 (2022) Цитировать эту статью

855 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Мы представляем структуру, основанную на неравновесной молекулярной динамике (NEMD), для воспроизведения события фазового превращения алюминия при линейной сжимающей нагрузке. Смоделированная реакция плотности напряжения, виртуальные рентгеновские дифракционные картины и анализ структуры сравниваются с ранее наблюдаемыми экспериментальными данными рентгеновской дифракции in-situ, полученными при помощи лазерного линейного сжатия. Моделирование NEMD показывает, что фазовые переходы твердое тело-твердое тело согласуются с экспериментальными наблюдениями с плотноупакованной гранецентрированной кубической (ГЦК) (111), гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурой (002) и объемноцентрированной кубической ОЦК ( 110) плоскости остаются параллельными. Анализ моделирования NEMD на атомном уровне определяет точный путь фазового превращения, происходящий посредством преобразования Бейна, в то время как предыдущие данные рентгеновской дифракции in situ не предоставили достаточной информации для определения точного пути фазового превращения.

Развитие экспериментальных методов радикально улучшило наше понимание стабильности твердой фазы и превращения твердой фазы под высоким давлением. Разработка газовой пушки1, импульсной мощности2 и лазерных драйверов3 в сочетании с рентгеновской дифракцией in situ (XRD)4,5 раскрыла информацию о структуре и фазе многочисленных материалов в условиях динамического, высокого давления, ударных и квази- изэнтропическое сжатие со скоростями деформации от 104 до 108 с-1. XRD in situ способен фиксировать дифракционные конусы Дебая – Шеррера образца при различных давлениях и проецировать эти дифракционные конусы в пространство \(2\theta -\phi\), где угол Брэгга \(\theta\) представляет собой угол между рентгеновским лучом и семейством плоскостей решетки, а \(\phi\) — азимутальный угол вокруг направления падающего рентгеновского излучения. Профиль \(2\theta\) можно использовать для расчета межплоскостного расстояния в соответствии с законом Брэгга6. Угол \(\chi\), который представляет собой угол между нормой образца и нормой плоскости, можно рассчитать с помощью уравнения7 \(\mathrm{cos}\left(\chi \right)=\mathrm{cos}\left( \phi \right)/\mathrm{cos}(\theta )\) и используется для оценки кристаллографической текстуры во время фазового преобразования путем отслеживания того, какие плоскости остаются параллельными. Этот метод был успешно применен для понимания физики высоких температур и высокого давления, такой как двойникование и динамика решетки в ударном тантате с лазерным приводом8, стабильность фазы высокого давления во время декомпрессии в наночастицах феррита цинка9 и путь фазового превращения от графита к гексагональному алмазу10 .

В недавней работе Полсина и др.11 рентгеноструктурный анализ in situ использовался для обнаружения кристаллической структуры алюминия (Al) при линейном сжатии. Авторы обнаружили, что фазовый переход твердое тело-твердое тело, соответствующий превращению в гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру, происходит при давлении около 216 ГПа, а превращение в структуру, соответствующую объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуре. происходит при 320 ГПа. Результаты рентгеноструктурного анализа in situ показали, что плотноупакованные гранецентрированные кубические (ГЦК) (111), ГПУ (002) и ОЦК (110) плоскости остаются параллельными в ходе преобразований твердое тело-твердое ГЦК-ГПУ и ГПУ-ОЦК. Однако механизм и путь фазового превращения при динамическом сжатии, который в последнее время стал важной и интересной темой в исследованиях высоких давлений11,12,13,14, остаются неясными. Экспериментально для этого потребуются дифракционные измерения с временным разрешением во время лазерного ударно-линейного сжатия, что технически сложно. Однако даже кристаллографии XRD in situ недостаточно для определения точного пути фазового превращения из экспериментов при высоком давлении и высокой температуре, поскольку несколько путей превращения потенциально могут создавать одинаковые параллельные плоскости во время превращения15. С помощью неравновесной молекулярной динамики (NEMD) точная атомистическая конфигурация структуры на каждом этапе во время NEMD моделирования линейного нагружения может быть определена на атомистическом уровне. Виртуальные профили XRD также можно легко получить и напрямую сравнить с экспериментами для проверки моделирования. Таким образом, моделирование NEMD обеспечит фундаментальное понимание механизмов пластической деформации и пути структурного фазового превращения, а профили XRD будут использоваться для экспериментальной проверки.