Энергетические свойства симметрично наклонных границ в сплаве FеCr: моделирование методом молекулярной статики

Актуальность и цели. Знание структуры и энергетических характеристик межзеренных границ (ГЗ - граница зерна) важно для понимания таких явлений, происходящих в материалах, как рост зерен, зернограничная диффузия, сегрегация примесей, деформация и разрушение. Отдельно следует отметить влияние ГЗ на процессы радиационного повреждения материалов. Традиционно ГЗ рассматриваются как стоки для точечных дефектов и примесных атомов. Однако детальные исследования механизмов взаимодействия ГЗ с указанными дефектами на атомарном уровне начали проводиться сравнительно недавно. Целью работы является получение количественных оценок, характеризующих энергетические свойства симметрично наклонных границ в $\alpha$-Fе, содержащем хром. Материалы и методы. Моделирование проводилось методом молекулярной статики. Для описания межатомного взаимодействия использовали модифицированную версию многочастичного потенциала, предложенного А. Каро и другими и хорошо воспроизводящего кривую энтальпии смешения случайного ферро-магнитного сплава FeCr. Результаты. Получены значения удельных энергий пяти межзеренных границ $\sum$ 5(210), $\sum$ 5(310), $\sum$ 17(410), $\sum$ 13(510) и $\sum$ 17 (530) с одной осью вращения [001]. Оценены размеры соответствующих им зернограничных областей в чистом железе при нулевой температуре и в бинарном сплаве Fе-9 ат. $\%$ Cr при температурах 0 и 300 К. Рассчитаны энергии связи с зернограничной областью вакансии собственных междоузленных атомов (СМА) и замещающего атома Cr в железе. При этом рассмотрено два типа собственных междоузельных конфигураций: гантель с ориентацией <110> из двух атомов железа и гантель смешанного Fе-Сr типа той же ориентации. Выводы. Для чистого железа при нулевой температуре отмечено удовлетворительное согласие результатов расчетов с результатами других исследователей. Установлено, что при переходе от чистого железа к сплаву Fе-9 ат. $\%$ Сr происходит небольшое повышение удельной энергии ГЗ на 0,1 Дж/м$^2$. С повышением температуры сплава до 300 К удельная энергия ГЗ снижается на 0,1-0,2 Дж/м$^2$. Для всех типов рассмотренных ГЗ ширина зернограничной области составляет 1 нм и слабо меняется с изменением состава и температуры. Отмечены скачкообразные изменения большинства полученных оценок энергии связи с зернограничной областью вакансии, собственных междоузленных атомов и замещающего атома Сr по мере удаления от ГЗ, вплоть до периодической смены знака в случае вакансии и атома замещения. Обнаружена высокая положительная связь ( 3 эВ) СМА обеих конфигураций с зернограничными областями всех рассматриваемых типов. Присоединение к зернограничной области вакансии также следует рассматривать как энергетически выгодное (энергия связи 0,3-1 эВ). Эти результаты обосновывают свойство зернограничной области аккумулировать точечные дефекты в процессе радиационного повреждения материала, наблюдаемое в численных экспериментах, проведенных различными исследователями. При этом накопление междоузельных атомов происходит более интенсивно как по причине более высокой энергии связи, так и вследствие их высокой подвижности.