Локальные структурные особенности и микроскопическая динамика расплава никеля: экспериментальное исследование и молекулярно-динамическое моделирование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследуются локальные структурные особенности, микроскопическая динамика и транспортные свойства равновесного и переохлажденного расплава никеля. Комплексное изучение соответствующих физических свойств расплава никеля выполнено с помощью крупномасштабных молекулярно-динамических исследований, экспериментов по дифракции рентгеновских лучей и по вискозиметрии методом крутильных колебаний. Получено хорошее согласие результатов рентгеноструктурного анализа равновесного расплава никеля с результатами моделирования молекулярной динамики при различных ЕАМ-потенциалах и экспериментальными данными по дифракции нейтронов. Установлено, что в жидком никеле вклад парной корреляционной энтропии в избыточную конфигурационную энтропию составляет \(\~\)60% в высокотемпературной области и \(\~\)80% в окрестности и ниже температуры плавления. Обнаружено хорошее согласие результатов моделирования транспортных характеристик (коэффициентов самодиффузии и вязкости) расплава никеля в широкой области температур с имеющимися экспериментальными данными и результатами по вискозиметрии. Показано, что результаты моделирования, полученные со всеми рассмотренными потенциалами межатомного взаимодействия, корректно воспроизводятся модифицированным соотношением Стокса–Эйнштейна, полученным в рамках масштабных преобразований Розенфельда.

Об авторах

Р. М. Хуснутдинов

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики; Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Email: khrm@mail.ru
Россия, Казань; Россия, Ижевск

Р. Р. Хайруллина

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики

Email: khrm@mail.ru
Россия, Казань

А. Л. Бельтюков

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики; Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Email: khrm@mail.ru
Россия, Казань; Россия, Ижевск

И. В. Стерхова

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики; Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Email: khrm@mail.ru
Россия, Казань; Россия, Ижевск

А. А. Суслов

Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Email: khrm@mail.ru
Россия, Ижевск

В. И. Ладьянов

Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Email: khrm@mail.ru
Россия, Ижевск

А. В. Мокшин

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики; Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: khrm@mail.ru
Россия, Казань; Россия, Ижевск

Список литературы

  1. Balucani U., Zoppi M. Dynamics of the Liquid State. Oxford: Clarendon Press, 1994. 178 p.
  2. Iida T., Guthrie R.I.L. The Physical Properties of Liquid Metals. Oxford: Oxford Sci. Publ., 1988. 288 p.
  3. Götze W. Complex Dynamics of Glass Forming Liquids. A Mode-coupling Theory. Oxford: Oxford University Press. 2009. 656 p.
  4. Polychroniadou S., Antoniadis K.D., Assael M.J., Bell I.H. A Reference Correlation for the Viscosity of Krypton from Entropy Scaling // Int. J. Thermophys. 2022. V. 43. P. 6.
  5. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В., Бельтюков А.Л., Олянина Н.В. Вязкость расплава кобальта: эксперимент, моделирование и теория // ТВТ. 2018. Т. 56. № 2. С. 211.
  6. Li N., Wang X.H., Gao N., Chen G.M. Simple Direct Relationship between Scaled Viscosity and a Dimensionless Calorimetric Parameter for Saturated Liquids // Ind. Eng. Chem. Res. 2022. V. 61. P. 1494.
  7. Blodgett M.E., Egami T., Nussinov Z., Kelton K.F. Proposal for Universality in the Viscosity of Metallic Liq-uids // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 13837.
  8. Saliou A., Jarry P., Jakse N. Excess Entropy Scaling Law: A Potential Energy Landscape View // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 044128.
  9. Karmkar R.C., Gosh R.C. Validity of the Stokes−Einstein Relation in Liquid 3d Transition Metals for a Wide Range of Temperatures // J. Mol. Liq. 2021. V. 328. P. 115434.
  10. Khrapak S.A., Khrapak A.G. Excess Entropy and Stokes−Einstein Relation in Simple Fluids // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 044110.
  11. Khrapak S.A. Diffusion, Viscosity, and Stokes–Einstein Relation in Dense Supercritical Methane // J. Mol. Liq. 2022. V. 354. P. 118840.
  12. Nguyen P.T., Khennache S., Galliero G., Tran T., Tuong L., Nguyen P., Hoang H., Ho H.K. Entropy Scaling for Viscosity of Pure Lennard–Jones Fluids and Their Binary Mixtures // Comm. Phys. 2022. V. 32. P. 187.
  13. Dzugutov M. A Universal Scaling Law for Atomic Diffusion in Condensed Matter // Nature. 1996. V. 381. P. 137.
  14. Rosenfeld Y. A Quasi-universal Scaling Law for Atomic Transport in Simple Fluids // J. Phys.: Condens. Matter. 1999. V. 11. P. 5415.
  15. Bell I.H., Dyre J.C., Ingebrigtsen T.S. Excess-entropy Scaling in Supercooled Binary Mixtures // Nature Commun. 2020. V. 11. P. 4300.
  16. Juhàs P., Davis T., Farrow C.L., Billinge S.J.L. PDFgetX3: a Rapid and Highly Automatable Program for Processing Powder Diffraction Data into Total Scattering Pair Distribution Functions // J. Appl. Crystallorg. 2013. V. 46. P. 560.
  17. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. М.: Гостехиздат, 1955. 208 с.
  18. Beltyukov A.L., Ladyanov V.I. An Automated Setup for Determining the Kinematic Viscosity of Metal Melts // Instrum. Exp. Tech. 2008. V. 51. P. 304.
  19. Khusnutdinoff R.M., Mokshin A.V., Beltyukov A.L., Olyanina N.V. Viscosity and Structure Configuration Properties of Equilibrium and Supercooled Liquid Cobalt // Phys. Chem. Liq. 2008. V. 56. P. 561.
  20. Khusnutdinoff R.M. Dynamics of Liquid Lithium Atoms: Time Scales and Dynamic Correlation Functions // Acta Phys. Polonica A. 2020. V. 137. P. 267.
  21. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В., Бельтюков А.Л., Олянина Н.В. Вязкость расплава кобальта: эксперимент, моделирование и теория // ТВТ. 2018. Т. 56. № 2. С. 211.
  22. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J. Comput. Phys. 1995. V. 117. P. 1.
  23. Sheng H.W., Ma E., Kramer M.J. Relating Dynamic Properties to Atomic Structure in Metallic Glasses // JOM. 2012. V. 64. P. 856.
  24. Bonny G., Pasianot R.C., Malerba L. Fe–Ni Many-Body Potential for Metallurgical Applications // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2009. V. 17. P. 025010.
  25. Verlet L. Computer “Experiments” on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard–Jones Molecules // Phys. Rev. 1967. V. 159. P. 98.
  26. Chapman S., Cowling T.G. The Mathematical Theory of Non-uniform Gases. Cambridge: Cambridge University Press, 1970. 448 p.
  27. Maffoli L., Clisby N., Frascoli F., Todd B.D. Computation of the Equilibrium Three-particle Entropy for Dense Atomic Fluids by Molecular Dynamics Simulation // J. Chem. Phys. 2019. V. 151. P. 164102.
  28. Kirkwood J.G., Boggs S.M. The Radial Distribution Function in Liquids // J. Chem. Phys. 1942. V. 10. P. 394.
  29. Hoyt J.J., Asta M., Sadigh B. Test of the Universal Scaling Law for the Diffusion Coefficient in Liquid Metals // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. P. 594.
  30. Bell I.H., Dyre J.C., Ingebrigtsen T.S. Excess-entropy Scaling in Supercooled Binary Mixtures // Nature Commun. 2020. V. 11. P. 4300.
  31. Khusnutdinoff R.M., Khairullina R.R., Beltyukov A.L., Lad’yanov V.I., Mokshin A.V. Viscous Properties of Nickel-containing Binary Metal Melts // J. Phys.: Condens. Matter. 2021. V. 33. P. 104006.
  32. Li G.X., Liu C.S., Zhu Z.G. Excess Entropy Scaling for Transport Coefficients: Diffusion and Viscosity in Li-quid Metals // J. Non-Cryst. Solids. 2005. V. 351. P. 946.
  33. Schenk T., Holland-Moritz D., Simonet V., Bellisent R., Herlach D.M. Icosahedral Short-Range Order in Deeply Undercooled Metallic Melts // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. P. 075507.
  34. Kirova E.M., Norman G.E. Viscosity Calculations at Molecular Dynamics Simulations // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. V. 653. P. 012106.
  35. Meyer A., Stuber S., Holland-Moritz D., Heinen O., Unruh T. Determination of Self-diffusion Coefficients by Quasielastic Neutron Scattering Measurements of Levitated Ni Droplets // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 092201.
  36. Chathoth S.M., Meyer A., Koza M.M., Juranyi F. Atomic Diffusion in Liquid Ni, NiP, PdNiP, and PdNiCuP Alloys // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 4881.
  37. Iida T., Guthrie R.I.L. The Thermophysical Properties of Metallic Liquids. V. 2. Predictive Models. Oxford: Oxford Press, 2015. 152 p.
  38. Assael M.J., Kalyva A.E., Antoniadis K.D., Banish R.M., Egry I., Wu J.T., Kaschnitz E., Wakeham W.A. Refe-rence Data for the Density and Viscosity of Liquid Antimony, Bismuth, Lead, Nickel and Silver // High Temp.‒High Press. 2012. V. 41. P. 161.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2.

Скачать (120KB)
3.

Скачать (68KB)
4.

Скачать (78KB)
5.

Скачать (55KB)

© Р.М. Хуснутдинов, Р.Р. Хайруллина, А.Л. Бельтюков, И.В. Стерхова, А.А. Суслов, В.И. Ладьянов, А.В. Мокшин, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».