Упругое поведение одиночных кристаллов тантала под <100> растяжением: инсайты о температуре, давлении и фазовом переходе из молекулярной динамики

Аннотация

Атомистические симуляции могут разъяснить механизмы, управляющие механическим откликом тантала (Ta). В этом исследовании мы используем молекулярную динамику (MD) для изучения того, как температура и давление влияют на упругие свойства Ta одиночных кристаллов под <100> растяжением. Сначала мы сравниваем два embedded-atom method (EAM) потенциала — Zhou-EAM и Ravelo-EAM — на их способность воспроизводить упругие константы Ta в широком диапазоне давлений. Потенциал Ravelo-EAM демонстрирует превосходную производительность, точно улавливая упругие модули до 140 ГПа. MD симуляции на базе этого потенциала раскрывают фазовый переход body-centered-cubic (BCC) → face-centered-cubic (FCC) перед разрушением при 1 K, независимый от размера модели или скорости деформации. В диапазоне 1–1500 K упругий модуль <100> E₁₀₀ линейно уменьшается с температурой, в то время как напряжение текучести следует квадратичной температурной зависимости. Давления-зависимые симуляции (0–140 ГПа) показывают монотонный рост E₁₀₀. Эти результаты предоставляют комплексную атомистическую структуру для предсказания упругого поведения Ta под экстремальными условиями.

Введение

Тантал кристаллизует в body-centered-cubic (BCC) решетке при обычных условиях и славится своей исключительной фазовой стабильностью, высокой точкой плавления (3269 K) и сопротивлением окислению. Эти свойства делают Ta идеальным кандидатом для диффузионных барьеров в микроэлектронике, износостойких покрытий и высокотемпературных суперсплавов. Обширная экспериментальная и теоретическая работа — использующая алмазные штамповые ячейки, теорию функционала плотности (DFT) и MD — исследовала поведение Ta под высоким давлением и температурой, последовательно подтверждая сохранение BCC фазы до 135 ГПа и раскрывая возрастающие упругие модули с давлением. Несмотря на эти достижения, систематическое атомистическое исследование динамического отклика Ta на растяжение остается недостающим. Эта работа заполняет этот пробел, оценивая размер, скорость деформации, температуру и давление эффекты на упругие свойства Ta во время <100> растяжения и исследуя возможность растяжения-индуцированного фазового перехода.

Методы и экспериментальные детали

Физическое моделирование

Мы конструируем кубические Ta ячейки репликацией BCC единичной ячейки вдоль <001>, <010> и <100> направлений, используя решетчные константы a = b = c = 3,301 Å. Четыре размера ячеек (12 a = 3,96 нм, 18 a = 5,94 нм, 24 a = 7,92 нм, 30 a = 9,90 нм) содержат 3456 до 54 000 атомов. Рисунок 1 иллюстрирует 3,96 нм модель, которая является основной структурой, используемой во всех симуляциях.

Протокол MD симуляции

Все симуляции проводились с LAMMPS. Два EAM потенциала — Zhou-EAM и Ravelo-EAM — оценивались на их способность воспроизводить упругие константы при 0 K и под гидростатическим давлением. Потенциал Ravelo-EAM, разработанный Ravelo et al. (Phys. Rev. B 2013, 88, 134101), превзошел Zhou-EAM по диапазону давлений интереса. Мы использовали прямой метод для вычисления C₁₁ и C₁₂ и вывели упругий модуль <100> через Уравнение (1). Последующие симуляции использовали 1 фс временной шаг, периодические граничные условия во всех направлениях и 50 пс NVT релаксацию с последующей NPT равновесировкой для наложения гидростатических давлений (0–140 ГПа). Растяжение вдоль x применяли при скоростях деформации от 5 × 10⁸ с⁻¹ до 7,5 × 10⁹ с⁻¹ до достижения 15% удлинения.

Результаты и обсуждение

Процесс растяжения

Рисунок 3 показывает напряжение-деформацию отклик и соответствующие атомные конфигурации во время <100> растяжения при нулевом давлении. Упругая деформация линейна до ~7% деформации, после чего BCC→FCC трансформация инициализируется при ~7,4% и завершается к ~9,8%. FCC фаза сохраняется до поверхностного разрушения около 13%. Механизмы трансформации и разрушения согласованы по всем размерам моделей и скоростям деформации, указывая на пренебрежимые размерные или скоростные эффекты на упругий модуль и напряжение текучести.

Размерные и скоростные эффекты

Таблица 2 демонстрирует, что размер модели (3,96–9,90 нм) не влияет на упругий модуль (~139 ГПа) или напряжение текучести. Аналогично, Таблица 3 показывает, что скорости деформации между 5 × 10⁸ с⁻¹ и 7,5 × 10⁹ с⁻¹ не производят различимых изменений в этих свойствах. Следовательно, 3,96 нм ячейка и скорость деформации 5 × 10⁸ с⁻¹ были приняты для всех последующих анализов.

Температурная зависимость

Рисунок 4 иллюстрирует эволюцию напряжение-деформации кривых от 1 K до 1500 K. И упругий модуль E₁₀₀, и напряжение текучести монотонно уменьшаются с температурой. Модуль снижается на ~42% (136,5 → 76,7 ГПа) и напряжение текучести на ~51% (≈8 → 4 ГПа) по этому диапазону. Линейная аппроксимация дает E₁₀₀ = 138,07 – 0,04094 T (ГПа), валидную до 1500 K, в то время как квадратичная аппроксимация улавливает зависимость напряжения текучести.

Зависимость от давления

Рисунок 6 представляет E₁₀₀ против гидростатического давления (0–140 ГПа) при нескольких температурах. При 1 K динамические результаты близко согласуются со статическими расчетами на базе Уравнения (1). Для температур ≤ 600 K появляется вогнутая область между 20–60 ГПа, согласующаяся с предыдущими MD исследованиями, в то время как более высокотемпературные кривые остаются монотонными. По всем температурам E₁₀₀ растет с давлением выше ~40 ГПа, подтверждая, что жесткость Ta усиливается под сжатием.

Заключение

Мы выполнили комплексное MD исследование Ta одиночных кристаллов под <100> растяжением по широкому спектру температур (1–1500 K) и давлений (0–140 ГПа). Потенциал Ravelo-EAM доказал надежность для высокодавленных симуляций. Ключевые выводы включают: (1) BCC→FCC фазовый переход предшествует разрушению при низкой температуре; (2) упругий модуль и напряжение текучести снижаются линейно и квадратично соответственно с температурой; (3) давление усиливает упругий модуль выше ~40 ГПа; и (4) размер модели и скорость деформации оказывают пренебрежимое влияние на измеренные упругие свойства.