Dependencias de temperatura y presión de las propiedades elásticas de los cristales individuales de tantalio bajo una carga de tracción <100>:un estudio de dinámica molecular

Curva tensión-deformación de Ta a presión cero y las correspondientes configuraciones con diferentes deformaciones. Notas:las bolas azules, verdes y blancas corresponden a BCC, FCC y otras estructuras de celosía, respectivamente

Como se muestra en la Fig. 3, se puede concluir a partir de la curva de tensión-deformación que la superficie se fractura cerca de la configuración (IV). Al comienzo de las deformaciones uniaxiales por tracción, la tensión cambia típicamente de forma lineal con la deformación y la figura 3I muestra que las configuraciones atómicas mantienen las estructuras BCC. A medida que aumenta la deformación, la transición de fase de las estructuras BCC a FCC comienza con la deformación de ~ 7,4% y se completa con la deformación de ~ 9,8%, como se muestra en las Fig. 3II, II, respectivamente. Y estas estructuras de FCC mantienen el máximo antes de la primera fractura de superficie. Cuando la deformación es ~ 13,1%, las longitudes de los bordes de las direcciones Y y Z disminuyen abruptamente, lo que resulta en una fractura de la superficie. Mientras tanto, es digno de mención que los conglomerados ocurren en muy poco tiempo, como se muestra en la Fig. 3IV. Bajo deformación uniaxial continua, la configuración atómica se mantiene en forma de franja hasta que la deformación es ~ 13,3%, que se muestra en la Fig. 3V.

En este artículo, nos concentramos en la dependencia de las propiedades de tracción en el tamaño del modelo, la velocidad de deformación, la temperatura y la presión, como se analiza en esta sección. Teóricamente, el modelo se estira linealmente en la etapa de deformación elástica y el módulo elástico se define como la pendiente de la porción lineal de la curva tensión-deformación. Se puede encontrar que todos los modelos tienen un proceso de estiramiento similar y las curvas de tensión-deformación tienen tendencias de variación similares. Por lo tanto, usamos el mismo enfoque para obtener el módulo elástico de Ta de varios tamaños de modelo y tasas de deformación.

Dependencia del tamaño y la tasa de deformación

La Tabla 2 enumera el módulo elástico y la tensión de fluencia de los diferentes tamaños de modelo a la temperatura de 1 K y la tasa de deformación de 5 × 10 ⁸ s ^{- 1} . Se puede concluir fácilmente que los tamaños de los modelos no tienen efectos sobre el módulo elástico y la tensión de fluencia de Ta. Es muy fácil de explicar que el módulo de elasticidad describe la interacción entre átomos, mientras que el módulo de elasticidad no varía con los tamaños del modelo. Puede verse en la Tabla 2 que el módulo elástico es ~ 139 GPa, notablemente igual que el resultado de la simulación de 140 GPa [18].

Según las Refs existentes. [28, 29], la mayoría de las tasas de deformación oscilan entre 10 ⁸ s ^{- 1} a 10 ¹⁰ s ^{- 1} . En este documento, se seleccionan cuatro tasas de deformación para realizar simulaciones de tracción, incluidas 5.0 × 10 ⁸ s ^{- 1} , 7,5 × 10 ⁸ s ^{- 1} , 5,0 × 10 ⁹ s ^{- 1} y 7,5 × 10 ⁹ s ^{- 1} . La Tabla 3 enumera el módulo de elasticidad y la tensión de fluencia a una temperatura de 300 K y a diferentes velocidades de deformación. Se puede concluir fácilmente que la tasa de deformación no tiene efectos obvios sobre el módulo elástico y la tensión de fluencia.

Mientras tanto, también simulamos los efectos del tamaño del modelo y la tasa de deformación sobre el módulo elástico y la tensión de fluencia a diferentes temperaturas y presiones. Estas simulaciones llegan a la misma conclusión. Por lo tanto, usaremos el mismo tamaño de modelo de 3,96 nm y la misma tasa de deformación de 5 × 10 ⁸ s ^{- 1} para las siguientes simulaciones.

Dependencia de la temperatura

La Figura 4 muestra las curvas de tensión-deformación a diferentes temperaturas hasta 1500 K. Se puede ver que las pendientes de estas curvas que denotan el módulo de elasticidad en la orientación <100>, es decir, E ₁₀₀ , durante el período de tensión elástica y la tensión de fluencia están disminuyendo gradualmente con el aumento de temperatura. Según la teoría de la termodinámica [31], la energía cinética total de todos los átomos del sistema generalmente satisface la siguiente ecuación:

donde E _k es la energía cinética total del sistema; N es el número total de átomos; K _B es la constante de Boltzmann; T es la temperatura termodinámica. Por tanto, se puede concluir que el sistema contiene mayor energía cinética total a mayor temperatura y los átomos se mueven más rápido. Desde el punto de vista termodinámico, los átomos se vuelven más activos y el movimiento de los átomos es más intenso, lo que significa mayor amplitud en su posición de equilibrio. En el proceso de estiramiento, la fuerza de atracción entre los átomos se reduce relativamente y los átomos escapan fácilmente de la posición de equilibrio, por lo que la tensión en la dirección x se reduce con la misma deformación. Por tanto, el módulo elástico a mayor temperatura será menor que el de menor temperatura. Además, la tendencia de estas curvas concuerda bien con los primeros hallazgos teóricos y experimentales de Ta [6, 7, 32].

Curvas de tensión-deformación del modelo Ta de 3,96 nm a una tasa de deformación de 5 × 10 ⁸ s ^{- 1} y diferentes temperaturas de 1 a 1500 K. Se puede ver en la Fig.4 que las pendientes de estas curvas que denota el módulo elástico en la orientación <100>, es decir, E ₁₀₀ , durante el período de tensión elástica y la tensión de fluencia están disminuyendo gradualmente con el aumento de temperatura

Para facilitar la observación, la Tabla 4 enumera el módulo elástico y la tensión de fluencia de Ta a diferentes temperaturas. El módulo elástico disminuirá ~ 42,3% de 136,49 a 76,67 GPa, y la tensión de fluencia disminuirá ~ 51% de ~ 8 a ~ 4 GPa a medida que la temperatura aumente de 1 a 1500 K.

De acuerdo con la Tabla 4, podemos derivar además una parametrización de la dependencia de la temperatura del módulo elástico ( E ₁₀₀ ) Los resultados se muestran como una línea continua en la Fig. 5a. La parametrización dice lo siguiente:

$$ {E} _ {100} =a + {b} ^ {\ ast} T $$ (3)

donde E ₁₀₀ está en (GPa) y T se expresa en ( K ); a =138,07 ± 0,92111 y b =- 0,04094 ± 0,00101. Esta ecuación muestra que E ₁₀₀ disminuye linealmente con el aumento de temperatura, y se recomienda su uso hasta la temperatura de 0 a 1500 K. De la ecuación. (3), se puede obtener fácilmente que E ₁₀₀ alcanzará 0 GPa a la temperatura de T _crítico =- a / b =3372 K, que está muy cerca de la temperatura de fusión de Ta [15].

un Módulo de elasticidad y b tensión de fluencia frente a temperatura para Ta. En la Fig. 5, también presentamos una parametrización de la dependencia de la temperatura del módulo elástico ( E ₁₀₀ ) resultados

Para el límite elástico, la parametrización recomendada es

$$ {Y} _ {\ mathrm {estrés}} =a + {b} ^ {\ ast} T + {c} ^ {\ ast} {T} ^ 2 $$ (4)

donde Y _estrés está en (GPa) y T se expresa en ( K ); a =7,99610 ± 0,0415, b =- 0,0039 ± 1,30126 × 10 ^{- 4} y c =7,97381 × 10 ^{- 7} ± 8,32307 × 10 ^{- 8} . De la ecuación. (4), se puede encontrar que la tensión de fluencia probablemente disminuya con la temperatura conformando un modelo polinomial cuadrático, como se muestra en la línea continua en la Fig. 5b.

Dependencia de la presión

Como se mencionó en la sección “Introducción”, se han realizado extensos esfuerzos teóricos y experimentales sobre las propiedades termoelásticas del Ta en condiciones de alta presión. A diferencia de los métodos estáticos, adoptamos un método dinámico a través de <100> carga de tracción para examinar su dependencia de la presión del módulo elástico de E ₁₀₀ bajo diferente presión hidrostática.

La figura 6 muestra las curvas del módulo elástico de E ₁₀₀ versus la presión hasta 140 GPa a diferentes temperaturas de 1 a 1500 K. Si bien todas las líneas continuas con diferentes colores se obtienen mediante un método dinámico a diferentes temperaturas, la línea de puntos con marcadores cuadrados se obtiene mediante un método estático utilizando la Ec. (1) basado en los valores de C ₁₁ y C ₁₂ a 0 K. Es obvio que la curva a 1 K, es decir, la línea sólida roja con marcadores circulares, casi se superpone con la curva obtenida mediante un método estático (la línea de puntos), lo que denota que el método dinámico adoptado en la presente el trabajo es aplicable a alta presión de hasta 140 GPa.

Módulo elástico en orientación <100> de Ta a diferentes temperaturas y presiones. Cabe señalar que el módulo de elasticidad de estas curvas es E ₁₀₀

Como se ilustra en la Fig.6, el módulo elástico de E ₁₀₀ a una temperatura no superior a 600 K muestra una sección cóncava hacia abajo a medida que la presión aumenta de 20 a 60 GPa. Ruestes et al. [18] informó las constantes elásticas en función de la presión hasta 60 GPa mediante el uso de simulaciones MD, y los resultados concuerdan bien con el C calculado ₁₁ y C ₁₂ en el trabajo actual. A cambio, el módulo elástico calculado de E ₁₀₀ también muestra la misma tendencia con nuestros resultados. Pero el módulo elástico calculado de E ₁₀₀ de los cálculos de DFT [33] aumenta gradualmente con la presión creciente, y no se encuentra una sección cóncava hacia abajo en las curvas. ¿Qué hace que ocurra esta inconsistencia? En general, los potenciales utilizados en las simulaciones MD se obtienen ajustando los cálculos DFT y los resultados experimentales. En este sentido, los cálculos de DFT tienen mayor precisión que el método MD. El potencial Ravelo-EAM [21] se construye introduciendo propiedades de alta presión en la curva de ajuste de la ecuación de estado (EOS) DFT de los monocristales de Ta. Durante el procedimiento de ajuste, la curva fría de EOS se extiende para incluir términos de orden superior (cúbicos y cuárticos) de constante de celosía, lo que hace que MD EOS sea muy sensible a los términos de orden superior de constante de celosía. En otras palabras, esta inconsistencia puede deberse a que el potencial Ravelo-EAM no podría describir con precisión el EOS de Ta bajo la presión de 20 a 60 GPa. En general, se puede concluir que las curvas del módulo elástico frente a la presión tienen una tendencia similar a diferentes temperaturas, y el módulo elástico aumenta gradualmente con el aumento de la presión por encima de ~ 40 GPa.

Conclusiones

En este artículo, se ha realizado una simulación de MD para investigar las dependencias de temperatura y presión de las propiedades elásticas de los monocristales de Ta a través de una carga de tracción <100>. Al principio, hicimos un estudio comparativo sobre dos tipos de potenciales EAM, incluidos Zhou-EAM y Ravelo-EAM, en términos de las propiedades elásticas de Ta a 0 K y diferentes presiones hidrostáticas. Los resultados muestran que el potencial Ravelo-EAM se comporta mejor que el potencial Zhou-EAM bajo diferentes presiones. Luego, se llevan a cabo simulaciones MD sobre los comportamientos de tracción de los monocristales de Ta basados ​​en el potencial Ravelo-EAM. Las observaciones muestran que Ta experimentará una transición de fase BCC-FCC antes de la fractura bajo una carga de tracción <100>, y el tamaño del modelo y la velocidad de deformación no tienen una influencia obvia en los comportamientos de tracción de los monocristales de Ta. Además, el módulo elástico de E ₁₀₀ disminuirá linealmente de ~ 136 a ~ 79 GPa con el aumento de temperatura de 1 a 1500 K, y la tensión de fluencia disminuirá de ~ 8 a ~ 4 GPa con el aumento de temperatura, conformando una fórmula polinomial cuadrática. Finalmente, la dependencia de la presión de las propiedades elásticas se realiza de 0 a 140 GPa, y las observaciones muestran que el módulo elástico aumenta con el aumento de la presión en general. Los resultados de las simulaciones MD también muestran que el potencial Ravelo-EAM se comporta bien a una presión más alta y la fórmula para el cálculo de E ₁₀₀ usando C ₁₁ y C ₁₂ a una presión inferior a 140 GPa.

Historial de cambios

Abreviaturas

CCO:

Cúbico centrado en el cuerpo

DAC:

Celda de yunque de diamante

DFT:

Teoría funcional de la densidad

EAM:

Método de átomo incrustado

EFS:

Finnis-Sinclair extendido

EOS:

Ecuación de estado

FCC:

Cúbico centrado en la cara

LAMMPS:

Simulador paralelo masivo atómico / molecular a gran escala

MD:

Dinámica molecular

NPT:

Conjunto isotérmico-isobárico

NVT:

Conjunto canónico

OVITO:

Herramienta de visualización abierta

PBC:

Condiciones de contorno periódicas

Ta:

Tantalio

Síntesis y caracterización de nanoestructuras de cobre puro utilizando la arquitectura inherente de la madera como plantilla natural Nanocomposites a base de óxido de grafeno decorados con nanopartículas de plata como agente antibacteriano