Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

2023 Выпуск 6

Все выпуски
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

A. R. Kuznetsov, S. A. Starikov

THE BAIN AND ORTHORHOMBIC PATHS OF THE BCC–FCC TRANSFORMATION IN A BCC METAL

DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.035-044

The energy of the Bain and orthorhombic paths in niobium and the instability of phonons during uniaxial deformation along <001> are studied with the application of the ab initio method. The orthorhombic transformation path is refined with regard to its symmetry. The calculation of the phonon spectrum in the entire irreducible Brillouin zone depending on deformation makes it possible to find the softest branches of the phonon spectrum responsible for the loss of stability of the structure. The nature of the loss of stability is revealed, and the strain at which stability is lost both in tension and compression is evaluated. Possible mechanisms determining the stability of the structure and theoretical strength of niobium are discussed. The results obtained can relate to experimental situations when small defect-free regions are deformed, for example, in nanostructured materials, when surface layers are modified by modern methods of plastic deformation, and during nanoindentation.

Acknowledgements: The work was performed under the state assignment from the Ministry of Science and Higher Education of Russia, theme Structure, No. 122021000033-2. The Uran supercomputer, IMM UB RAS, was used for the calculations.

Keywords: first-principles calculation, Bain and orthorhombic paths, phonon spectrum, structure stability

Bibliography:

  1. Bain, E.C. The Nature of Martensite. Trans. AIME, 1924, 70, 25–35.
  2. Okatov, S.V., Kuznetsov, A.R., Gornostyrev, Yu.N., Urtsev, V.N., and Katsnelson, M.I. Effect of magnetic state on the α-γ transition in iron: first-principles calculations of the Bain transformation path. Physical Review B, 2009, 79 (9), 094111–094115. DOI: 10.1103/RevModPhys.84.945.
  3. Grimvall, G., Magyari-Köpe, B., Ozoliņš, V., and Persson, K.A. Lattice instabilities in metallic. Review of Modern Physics, 2012, 84 (3), 945–986. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.094111.
  4. Kuznetsov, A.R., Starikov, S.A., and Sagaradze, V.V. Phonon instabilities in a metal on the Bain fcc-bcc transformation path. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2022, 6, 86–94. DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.086-094. Available at: http://dream-journal.org/issues/2022-6/2022-6_385.html
  5. Clatterbuck, D.M., Krenn, C.R., Cohen, M.L., Morris Jr., J.W. Phonon instabilities and the ideal strength of aluminum. Physical Review Letters, 2003, 91 (13), 135501–135504. DOI: 10.1103/PhyaRevLett.91.135501.
  6. Pokluda J., Cern M., Sandera P., and Sob, M. Calculations of theoretical strength: state of the art and history. Journal of Computer-Aided Materials Design, 2004, 11, 1–28. DOI: 10.1007/s10820-004-4567-2.
  7. Pokluda, J., Černý, M., Šob, M., Umeno, Y. Ab initio calculations of mechanical properties: methods and applications. Progress in Materials Science, 2015, 73, 127–158. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.04001.
  8. Li, J., Yip, S. Atomistic measures of materials strength. CMES-Computer Modeling in Engineering and Sciences, 2002, 3, 219. DOI: 10.3970/cmes.2002.003.219.
  9. Luo, W., Roundy, D., Cohen, M.L., and Morris Jr., J.W. Ideal strength of bcc molybdenum and niobium. Physical Review B, 2002, 66 (9), 094110W. DOI: 10.1103/PhysRevB.66.094110.
  10. Černý, M. and Pokluda, J. Influence of superimposed biaxial stress on the tensile strength of perfect crystals from first principles. Physical Review B, 2007, 76 (2), 024115. DOI: 10.1103/PhysRevB.76.024115.
  11. Nagasako, N., Jahnátek, M., Asahi, R., and Hafner, J. Anomalies in the response of V, Nb, and Ta to tensile and shear loading: ab initio density functional theory calculations. Physical Review B, 2010, 81 (9), 094108. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.094108.
  12. Wang, Yi.X., Geng, H.Y., Wu, Q., Chen, X.R., and Sun, Y. First-principles investigation of elastic anomalies in niobium at high pressure and temperature. Journal of Applied Physics, 2017, 122 (23), 235903. DOI: 10.1063/1.5006396.
  13. Landa, A., Söderlind, P., Naumov, I.I., Klepeis, J.E., and Vitos, L. Kohn Anomaly and phase stability in group VB transition metals. Computation, 2018, 6, 29. DOI: 10.3390/computation6020029.
  14. Gouldstone, A., Koh, H.-J., Zeng, K.Y., Giannakopoulos, A.E., and Suresh, S. Discrete and continuous deformation during nanoindentation of thin films. Acta Materialia, 2000, 48 (9), 2277–2295. DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00009-4.
  15. De la Fuente, O.R., Zimmerman, J.A., Gonzales, M.A., De la Figuera, J., Hamilton, J.C., Pai, W.W., and Rojo, J.M. Dislocation emission around nanoindentations on a (001) fcc metal surface studied by scanning tunneling microscopy and atomic simulation. Physical Review Letters, 2002, 88 (3), 036101–036104. DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.036101.
  16. Chang, L.L. and Plog, K., eds. Molecular Beam Epitaxy and Heterostructures, Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht 1985, 1985, 700 p. DOI: 10.1007/978-94-009-5073-3.
  17. Kimminau, G., Erhart, P., Bringa, E.M., Remington, B., and Wark, J.S. Phonon instabilities in uniaxially compressed fcc metals as seen in molecular dynamics simulations. Physical Review B, 2010, 81, 092102. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.092102.
  18. Available at: arXiv:cond-mat/0504077 [cond-mat.supr-con]
  19. Hellwege, K.-H. and Madelung, O., eds. Phonon States of Elements. Electron States and Fermi Surfaces of Alloys, Landolt-Börnstein, New Series, Group III, 13, Pt. a., Berlin, SpringerVerlag, 1981.
  20. Koči, L., Ma, Y., Oganov, A. R., Souvatzis, P., and Ahuja, R. Elasticity of the superconducting metals V, Nb, Ta, Mo, and W at high pressure. Physical Review B, 2008, 77 (21), 214101. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.214101.
  21. Söderlind, P., Eriksson, O., Wills, J.M, and Boring, A.M. Theory of elastic constants of cubic transition metals and alloys. Physical Review B, 1993, vol. 48, 5844.
  22. Landolt-Börnstein: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, New Series, ed. by O. Madelung, Group III: Crystal and Solid State Physics, vol. 14: Structure Data of Elements and Intermetallic Phases, Springer Verlag, Berlin, 1988.
  23. Katahara, K.W., Manghnani, M.H., and Fisher, E. Elastic moduli of paramagnetic chromium and Ti–V–Cr alloys. Journal of Physics F: Metal Physics, 1979, 9, 773. DOI: 10.1088/0305-4608/9/11/008.
  24. James, A.M. and Lord, M.P. Macmillan’s Chemical and Physical Data, Macmillan, London, UK, 1992.

А. Р. Кузнецов, С. А. Стариков

БЕЙНОВСКИЙ И ОРТОРОМБИЧЕСКИЙ ПУТИ ОЦК-ГЦК ПРЕВРАЩЕНИЯ В ОЦК-МЕТАЛЛЕ

В работе ab initio методом изучена энергетика бейновского и орторомбического путей в ниобии и нестабильности фононов в ходе одноосной деформации вдоль <001>. Уточнен орторомбический путь превращения с учетом его симметрии. Расчет фононного спектра во всей неприводимой зоне Бриллюэна в зависимости от деформации позволил найти наиболее мягкие ветви фононного спектра, ответственные за потерю устойчивости структуры. Выявлен характер потери устойчивости, а также оценена величина деформации, при которой теряется устойчивость как при растяжении, так и при сжатии. Обсуждаются возможные механизмы, определяющие устойчивость структуры и теоретическую прочность ниобия. Полученные результаты могут относиться к ситуациям в эксперименте, когда деформируются малые свободные от дефектов области, например, в наноструктурированных материалах, при модифицировании поверхностных слоев современными методами пластического деформирования, при наноиндентировании.

Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России по теме «Структура» № 122021000033-2. Расчеты проведены с использованием суперкомпьютера «Уран» ИММ УрО РАН.

Ключевые слова: первопринципный расчет, бейновский и орторомбический пути, фононный спектр, стабильность структуры

Библиография:

  1. Bain E. C. The Nature of Martensite // Trans. AIME. – 1924. – Vol. 70. – P. 25–35.
  2. Effect of magnetic state on the α-γ transition in iron: first-principles calculations of the Bain transformation path / S. V. Okatov, A. R. Kuznetsov, Yu. N. Gornostyrev, V. N. Urtsev, M. I. Katsnelson // Physical Review B. – 2009. – Vol. 79, No. 9. – P. 094111–094115. – DOI: 10.1103/RevModPhys.84.945.
  3. Lattice instabilities in metallic elements / G. Grimvall, B. Magyari-Köpe, V. Ozoliņš, K. A. Persson // Review of Modern Physics. – 2012. – Vol. 84, No. 3. – P. 945–986. – DOI: 10.1103/PhysRevB.79.094111.
  4. Kuznetsov A. R., Starikov S. A., Sagaradze V. V. Phonon instabilities in a metal on the Bain fcc–bcc transformation path // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2022. – Iss. 6. – P. 86–94. – DOI: 10.17804/2410-9908.2022.6.086-094. – URL: http://dream-journal.org/issues/2022-6/2022-6_385.html
  5. Phonon Instabilities and the ideal strength of aluminum / D. M. Clatterbuck, C. R. Krenn, Marvin L. Cohen, J. W. Morris Jr. // Physical Review Letters. – 2003. – Vol. 91, No. 13. – P. 135501–135504. – DOI: 10.1103/PhyaRevLett.91.135501.
  6. Calculations of theoretical strength: state of the art and history / J. Pokluda, M. Cern, P. Sandera, M. Sob // Journal of Computer-Aided Materials Design. – 2004. – Vol. 11. – P. 1–28. – DOI: 10.1007/s10820-004-4567-2.
  7. Ab initio calculations of mechanical properties: methods and applications / J. Pokluda, M. Černý, M. Sob, Y. Umeno // Progress in Materials Science. – 2015. – Vol. 73. – P. 127–158. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2015.04001.
  8. Li Ju, Yip S. Atomistic measures of materials strength // CMES-Computer Modeling in Engineering and Sciences. – 2002. – Vol. 3. – P. 219. – DOI: 10.3970/cmes.2002.003.219.
  9. Ideal strength of bcc molybdenum and niobium / W. Luo, D. Roundy, M. L. Cohen, J. W. Morris Jr. // Physical Review B. – 2002. – Vol. 66, iss. 9. – P. 094110. – DOI: 10.1103/PhysRevB.66.094110.
  10. Černý M., Pokluda J. Influence of superimposed biaxial stress on the tensile strength of perfect crystals from first principles // Physical Review B. – 2007. – Vol. 76, iss. 2. – P. 024115. – DOI: 10.1103/PhysRevB.76.024115.
  11. Anomalies in the response of V, Nb, and Ta to tensile and shear loading: ab initio density functional theory calculations / N. Nagasako, M. Jahnátek, R. Asahi, J. Hafner // Phys. Rev. B. – 2010. – Vol. 81, iss. 9. – P. 094108. – DOI: 10.1103/PhysRevB.81.094108.
  12. First-principles investigation of elastic anomalies in niobium at high pressure and temperature / Y. X. Wang, H. Y. Geng, Q. Wu, X. R. Chen, Y. Sun // Journal of Applied Physics. – 2017. – Vol. 122, iss. 23. – P. 235903. – DOI: 10.1063/1.5006396.
  13. Kohn anomaly and phase stability in group VB transition metals / A. Landa, P. Söderlind, I. I. Naumov, J. E. Klepeis, L. Vitos // Computation. – 2018. – Vol. 6 (29). – P. 1–19. – DOI: 10.3390/computation6020029.
  14. Discrete and continuous deformation during nanoindentation of thin films / A. Gouldstone, H. J. Koh, K. Y. Zeng, A. E. Giannakopoulos, S. Suresh // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48, No. 9. – P. 2277–2295. – DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00009-4.
  15. Dislocation emission around nanoindentations on a (001) fcc metal surface studied by scan-ning tunneling microscopy and atomic simulation / O. R. de la Fuente, J. A. Zimmerman, M. A. Gonzales, J. de la Figuera, J. C. Hamilton, W. W. Pai, J. M. Rojo // Physical Review Letters. – 2002. – Vol. 88, No. 3. – P. 036101–036104. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.036101.
  16. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / под ред. Л. Ченга, К. Плога; пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева. – Москва : Мир, 1989. – 582 с.
  17. Phonon instabilities in uniaxially compressed fcc metals as seen in molecular dynamics sim-ulations / G. Kimminau, P. Erhart, E. M. Bringa, B. Remington, J. S. Wark // Physical Review B. – 2010. – Vol. 81. – P. 092102. – DOI: 10.1103/PhysRevB.81.092102.
  18. URL: arXiv:cond-mat/0504077 [cond-mat.supr-con]
  19. Phonon States of Elements. Electron States and Fermi Surfaces of Alloys / ed. by K.-H. Hellwege, O. Madelung. – Book series Landolt-Börnstein. – Vol. 3. – Berlin : SpringerVerlag, 1981.
  20. Elasticity of the superconducting metals V, Nb, Ta, Mo, and W at high pressure / L. Koči, Y. Ma, A. R. Oganov, P. Souvatzis, R. Ahuja // Physical Review B. – 2008. – Vol. 77, iss. 21. – P. 214101. – DOI: 10.1103/PhysRevB.77.214101.
  21. Theory of elastic constants of cubic transition metals and alloys / P. Söderlind, O. Eriksson, J. M. Wills, A. M. Boring // Physical Review B. – 1993. – Vol. 48. – P. 5844. – DOI: 10.1103/PhysRevB.48.5844.
  22. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology / ed. by O. Madelung. – Landolt-Börnstein New Series. – Group III : Crystal and Solid State Physics. – Vol. 14 : Structure Data of Elements and Intermetallic Phases. – Berlin : Springer Verlag, 1988.
  23. Katahara K. W., Manghnani M. H., Fisher E. Elastic moduli of paramagnetic chromium and Ti-V-Cr alloys // Journal of Physics F: Metal Physics. – 1979. – Vol. 9 (11). – P. 773. – DOI: 10.1088/0305-4608/9/11/008.
  24. James A. M., Lord M. P. Macmillan’s Chemical and Physical Data. – London, UK : Macmillan, 1992.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

Kuznetsov A. R., Starikov S. A. The Bain and Orthorhombic Paths of the Bcc–fcc Transformation in a Bcc Metal // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2023. - Iss. 6. - P. 35-44. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.6.035-044. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2023-6/2023-6_423.html
(accessed: 14.04.2024).

 

импакт-фактор
РИНЦ 0.42

категория К2
в перечне ВАК

МРДМК 2024
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2024, www.imach.uran.ru