Динамика 2-краудиона и перенос энергии в вольфраме: атомистическое моделирование

Миграция точечных дефектов в металлах способствует переносу массы и энергии при пластической деформации, термообработке, облучении и т. д. В связи с этим изучение таких физических процессов нелинейной динамики кристаллической решетки металлов является актуальной задачей. В данной работе исследуется динамика 2-краудиона и процессы переноса энергии в вольфраме, направленные на понимание механизмов формирования дефектов и диссипации энергии в условиях экстремальных температур и давления. Известно, что кристаллические решетки под внешним воздействием накапливают большое количество дефектов, таких как вакансии, дислокации, границы зерен. Все эти дефекты создают поля внутренних напряжений, которые будут влиять на динамику краудионов. С использованием метода молекулярно-динамического моделирования и модели погруженного атома было изучено распространение 2-краудионов в трехмерной структуре. Основные результаты показывают, что формирование 2-краудионов происходит при критических значениях энергии возбуждения и зависит от начальной конфигурации системы, где 2-краудионы инициируют цепные процессы переноса энергии по атомной решетке. Выявлено, что глубина прохождения 2-краудиона линейно зависит от величины начальной энергии. Полученные пространственно-временные характеристики распределения энергии демонстрируют роль 2-краудионов в локальной концентрации энергии и последующей ее передаче через атомные связи, что приводит к образованию точечных дефектов. Эти результаты важны для проектирования новых радиационно-стойких материалов, поскольку помогают предсказать устойчивость материала к высокоэнергетическим воздействиям. Работа вносит вклад в понимание физических основ диссипации энергии и поведения дефектов в тугоплавких материалах, применимых в условиях термоядерного синтеза и других высокотемпературных процессов

1. Wei Q, Schuster BE, Mathaudhu SN, et al. Dynamic behaviors of body-centered cubic metals with ultrafine grained and nanocrystalline microstructures. Elsevier: Materials Science and Engineering: A, 2008;493:58-64 (in English).

2. Shepelev IA, Chetverikov AP, Dmitriev SV, Korznikova EA. Shock waves in graphene and boron nitride. Computational materials science, 2020;177:109549 (in English).

3. Zhang Zh, Yabuuchi K, Kimura A. Defect distribution in ion-irradiated pure tungsten at different temperatures. Journal of Nuclear Materials, 2016;480:207-215 (in English).

4. Zhou WH, Zhang CG, Li YG, Zeng Z. Transport, dissociation and rotation of small self-interstitial atom clusters in tungsten. Journal of Nuclear Materials, 2014;453(1-3):202-209 (in English).

5. Granberg F, Byggmastar J, Nordlund K. Molecular dynamics simulations of high-dose damage production and defect evolution in tungsten. Journal of Nuclear Materials, 2021;556:153158 (in English).

6. Bharwaj U, Sand AE, Warrier M. Graph theory based approach to characterize self interstitial defect morphology. Computational Materials Science, 2021:195:110474 (in English).

7. Pokropivny VV, Skorokhod VV, Pokropivny AV. Adhesive phenomena at the α-Fe interface during nanoindentation, stretch and shock. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 1997;5(6):579 (in English).

8. Chartier A, Marinica M-C. Rearrangement of interstitial defects in alpha-Fe under extreme condition. Acta Materialia, 2019;180:141-148 (in English).

9. Castin N, Bakaev A, Bonny G, et al. On the onset of void swelling in pure tungsten under neutron irradiation: An object kinetic Monte Carlo approach. Journal of Nuclear Materials, 2017;493:280-293 (in English).

10. Kolesnikov ID, Shepelev IA. Excitation and propagation of 1-crowdion in BCC niobium lattice. Materials. Technologies. Design. 2022;4(1):5-10 (in English).

11. Yankovskaya UI, Zakharov PV. Heat resistance of a Pt crystal reinforced with CNT’s. Materials. Technologies. Design. 2021;3(4):64-67 (in English).

12. Chen L, Li LQ, Gong HR. Irradiation effect on mechanical properties of tungsten from molecular dynamic simulation. Materials Letter, 2019;241:27-30 (in English).

13. Korznikova EA, Shunaev VV, Shepelev IA, et al. Ab initio study of the propagation of a supersonic 2-crowdion in fcc Al. Computational Materials Science, 2022;204(2):111125 (in English).

14. Barani E, Korznikova EA, Chetverikov AP, et al. Gap discrete breathers in strained boron nitride. Physics Letter A, 2017;381(41):3553-3557 (in English).

15. Dudarev SL. Coherent motion of interstitial defects in a crystalline material. In: Multiscale Modelling of Nano- and Micro-mechanics of Materials. Philosophical Magazine, 2003;83(31-34):3577-3597 (in English).

16. Terentyev DA, Malerba L, Hou M. Dimensionality of interstitial cluster motion in bcc-Fe. Physical Review B, 2007:75:104108 (in English).

17. Zhou WH, Zhang CG, Li YG, Zeng Z. Creeping Motion of Self Interstitial Atom Clusters in Tungsten. Scientific Reports, 2014;4:5096 (in English).

18. Mason DR, Sand AE, Yi X, Dudarev SL. Direct observation of the spatial distribution of primary cascade damage in tungsten. Acta Materialia, 2018;144:905-917 (in English).

19. Kazakov AM, Babicheva RI, Zinovev A, et al. Interaction of edfe dislocation with voids in tungsten. Tungsten, 2024;6:633-646 (in English).

20. Chetverikov AP, Ebeling W, Velarde MG. Properties of nano-scale soliton-like excitations in twodimensional lattice layers. Physica D: Nonlinear Phenomena, 2011;240:1954-1959 (in English).

21. Caturla MJ. Object kinetic Monte Carlo methods applied to modeling radiation effects in materials. Computational Materials Science, 2019:156:452-459 (in English).

22. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of Computational Physics, 1995;117(1):1-19 (in English).

23. Bonny G, Bakaev A, Terentyev D, Mastrikov YuA. Interatomic potential to study plastic deformation in tungsten-rhenium alloys. AIP Publishing: Journal of Applied Physics, 2017;121(16):165107 (in English).

24. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO–the Open Visualization Tool. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2009;18(1):015012 (in English).