Ketergantungan Temperatur dan Tekanan Sifat Elastis Kristal Tunggal Tantalum Di Bawah <100> Beban Tarik:Studi Dinamika Molekuler
Abstrak
Simulasi atomistik mampu memberikan wawasan tentang mekanisme fisik yang bertanggung jawab atas sifat mekanik logam transisi Tantalum (Ta). Dengan menggunakan metode dinamika molekul (MD), ketergantungan suhu dan tekanan dari sifat elastis kristal tunggal Ta diselidiki melalui pembebanan tarik <100>. Pertama-tama, studi perbandingan antara dua jenis potensi metode atom-tertanam (EAM) dibuat dalam hal sifat elastis kristal tunggal Ta. Hasil penelitian menunjukkan bahwa potensi Ravelo-EAM (Physical Review B, 2013, 88:134101) berperilaku baik pada tekanan hidrostatik yang berbeda. Kemudian, hasil simulasi MD berdasarkan potensi Ravelo-EAM menunjukkan bahwa Ta akan mengalami transisi fase body-centric-cubic (BCC) ke face-centric-cubic (FCC) sebelum patah di bawah <100> pembebanan tarik pada suhu 1 K , dan ukuran model dan laju regangan tidak memiliki efek yang jelas pada perilaku tarik Ta. Selanjutnya dari hasil simulasi pada temperatur sistem 1 sampai 1500 K, dapat diturunkan modulus elastisitas E100 menurun secara linier dengan meningkatnya suhu, sedangkan tegangan leleh menurun dengan menyesuaikan rumus polinomial kuadrat. Terakhir, ketergantungan tekanan dari sifat elastis dilakukan dari 0 hingga 140 GPa dan pengamatan menunjukkan bahwa modulus elastisitas meningkat dengan meningkatnya tekanan secara keseluruhan.
Latar Belakang
Secara umum Tantalum (Ta) termasuk dalam struktur BCC pada kondisi ambien. Saat ini, banyak literatur telah membuktikan bahwa kristal tunggal Ta menunjukkan stabilitas fase yang sangat baik [1,2,3] di bawah tekanan tinggi. Terlebih lagi, Ta memiliki suhu leleh yang sangat tinggi 3269 K pada tekanan sekitar yang lebih tinggi dari kebanyakan logam lainnya [4]. Karena sifatnya yang sangat baik, Ta adalah bahan yang ideal untuk banyak aplikasi teknologi, seperti penghalang difusi dalam mikro/nanoelektronik, lapisan pelindung keausan, dan super-paduan suhu tinggi.
Baru-baru ini, banyak upaya baik di bidang eksperimental [2, 5,6,7] dan teoritis [8,9,10,11,12,13,14] telah dimasukkan ke dalam sifat tekanan tinggi dan suhu tinggi dari Ta. Dewaele dkk. [5] mempelajari efek tekanan pada kekuatan luluh Ta dalam sel landasan berlian (DAC) hingga 93 GPa, dan eksperimen DAC juga menunjukkan struktur BCC tetap stabil hingga 135 GPa [2]. Selain itu, Shigeaki [8] mensimulasikan persamaan keadaan (EOS) Ta hingga 100 GPa dan 3000 K menggunakan DFT. Wu dkk. [9] menyelidiki sifat elastis dan termodinamika Ta pada tekanan tinggi hingga 350 GPa. Sementara itu, koro dkk. [6, 7] mengukur kekuatan luluh dan modulus Young Ta pada suhu yang sangat tinggi masing-masing hingga 2250 dan 2500 K. Gue dkk. [10] melakukan studi tentang struktur tekanan tinggi dan sifat elastis dari kubik Ta hingga 500 GPa menggunakan metode prinsip pertama. Ditemukan bahwa konstanta elastis sebagai fungsi tekanan, dan bulk, Young, dan modulus geser Ta semuanya meningkat dengan meningkatnya tekanan.
Selain eksperimen DAC dan perhitungan DFT, ada juga banyak penelitian pada suhu tinggi dan tekanan tinggi di bidang simulasi MD [15,16,17,18]. Liu dkk. [15] menggunakan potensi diperpanjang Finnis-Sinclair (EFS) dan menyelidiki EOS termal serta sifat leleh Ta pada tekanan hingga 400 GPa. Selain itu, Tramontina dkk. [16, 17] mempelajari efek orientasi kristal pada mekanisme plastisitas pada tekanan tinggi. Mereka juga membahas pengaruh kekuatan kejut dan waktu naik kejut pada struktur mikro mereka. Selanjutnya, Ruestes et al. [18] melakukan simulasi lekukan untuk BCC Ta menggunakan tiga potensi interatomik yang berbeda dan mempresentasikan mekanisme cacat yang bertanggung jawab atas penciptaan dan perluasan zona deformasi plastis.
Terlepas dari banyak penyelidikan di atas, belum ada studi simulasi atomistik sistematis tentang respons dinamis Ta di bawah pembebanan tarik menggunakan simulasi MD. Tujuan utama dari pekerjaan ini adalah untuk menyelidiki sifat elastis kristal tunggal Ta di bawah <100> pembebanan tarik, dengan mempertimbangkan efek ukuran, laju regangan, suhu, dan tekanan. Selain itu, untuk memahami apakah transisi fase dapat diinduksi melalui <100> pembebanan tarik adalah tujuan lain dari pekerjaan ini.
Metode/Eksperimental
Pemodelan Fisik
Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1, kubik Ta yang diselidiki dalam makalah ini dihasilkan dengan mengulang sel satuan BCC sepanjang orientasi <001>, <010>, dan <100> dan parameter kisi adalah a = b = c = 3.301 Å, masing-masing. Empat model kubik dengan panjang tepi yang berbeda, termasuk 12a (3,96 nm), 18a (5,94 nm), 24a (7,92 nm), dan 30a (9,90 nm), dibangun. Jumlah atom yang sesuai adalah 3456, 11.664, 27.648, dan 54.000, masing-masing. Gambar 1 menunjukkan peta sketsa Ta kubik dengan panjang tepi 3,96 nm, yang merupakan struktur asli dalam simulasi kami saat ini.