MODELING OF CLOSE-ORDER FRACTAL STRUCTURES OF METAL-METALLOID ALLOYS WITH CUBIC STRUCTURE
Авторы
DOI:
https://doi.org/10.31489/2025N4/31-38Ключевые слова:
аморфное состояние, электроосаждение, моделирование, кластерыАннотация
С использованием методов математической физики проведено комплексное моделирование короткодействующего порядка в сплавах Fe₈₈P₁₂ и Cr₈₈C₁₂, полученных методом электроосаждения. В качестве исходной конфигурации для моделирования была выбрана кристаллическая структура основного металла. Многочисленные экспериментальные исследования, включая рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию, показали, что в сплавах металл-металлоид поверхностные микроструктуры имеют преимущественно эллипсоидную морфологию. На основании этих экспериментальных наблюдений была выдвинута гипотеза, что макроскопические эллипсоидные образования, наблюдаемые на поверхности сплавов, состоят из кластеров с относительно простой геометрической конфигурацией, например, сфер или эллипсоидов. Результаты моделирования показали, что эти кластеры имеют характерные размеры, не превышающие 30-50 ангстрем, а их векторный рост происходит преимущественно вдоль одного радиального направления относительно поверхности подложки. Такое анизотропное поведение роста объясняется различиями в локальной энергии атомной связи и кинетике диффузии, которые определяют преимущественное выравнивание развития кластеров. Кроме того, было установлено, что пространственное распределение и однородность размеров кластеров существенно влияют на общие механические и физико-химические свойства покрытий, включая твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. Сочетание результатов моделирования с эмпирическими данными позволяет получить ценное представление о механизмах микроструктурной эволюции электроосажденных систем металл-металлоид. Эти результаты могут послужить основой для оптимизации параметров электроосаждения с целью формирования структуры поверхности и улучшения эксплуатационных характеристик функциональных покрытий.
Библиографические ссылки
Danilov F.I., Protsenko V.S., Butyrina T.E., Krasinskii V.A., Baskevich A.S., Kwon S., Lee D.Y. (2011) Electrodeposition of nanocrystalline chromium coatings from Cr(III)-based electrolyte using pulse current. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 47(5), 598–605. https://doi.org/10.1134/S2070205111050066 DOI: https://doi.org/10.1134/S2070205111050066
Protsenko V.S., Danilov F.I., Gordienko V.O., Baskevich A.S., Artemchuk V.V. (2012) Improving hardness and tribological characteristics of nanocrystalline Cr-C films obtained from Cr(III) plating bath using pulsed electrodeposition. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 35, 281–283. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.10.006
Hu Y. C., Li F.X., Li M.Z., Bai H.Y., Wang W.H. (2015) Five fold symmetry as an indicator of dynamic arrest in metallic glass forming liquids. Nature Communications, 6, 8310. https://doi.org/10.1038/ncomms9310 DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms9310
Protsenko V. S., Bobrova L. S., Baskevich A. S., Korniy S. A., Danilov F. I. (2018) Electrodeposition of chromium coatings from a choline chloride based ionic liquid with the addition of water. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 53(5), 906–915. Available at: https://journal.uctm.edu/node/j2018-5/15_17-130_p906-915.pdf
Wu Z.W., et al. (2015) Hidden topological order and its correlation with glass‑forming ability in metallic glasses. Nature Communications, 6, 6035. https://doi.org/10.1038/ncomms7035 DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms7035
Ding J., Ma E. (2017) Computational modeling sheds light on structural evolution in metallic glasses and supercooled liquids. Computational Materials, 3, 9. https://doi.org/10.1038/s41524-017-0007-1 DOI: https://doi.org/10.1038/s41524-017-0007-1
Protsenko V. S., Bobrova L.S., Baskevich A.S., Korniy S.A., Danilov F.I. (2018) Electrodeposition of chromium coatings from a choline chloride based ionic liquid with the addition of water. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 53(5), 906–915.
Kuzmann E., Felner I., Sziráki L., Stichleutner S., Homonnay Z., El-Sharif M.R., Chisholm C.U. (2022) Magnetic anisotropy and microstructure in electrodeposited quaternary Sn–Fe–Ni–Co alloys with amorphous character. Materials, 15(9), 3015. https://doi.org/10.3390/ma15093015 DOI: https://doi.org/10.3390/ma15093015
Feng J., Chen P., Li M. (2018) Absence of 2.5 power law for fractal packing in metallic glasses. Journal of Physics: Condensed Matter, 30(25), 255402. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aac45f DOI: https://doi.org/10.1088/1361-648X/aac45f
Cheng Y.Q., Ma E. (2011) Atomic-level structure and structure-property relationship in metallic glasses. Progress in Materials Science, 56, 379–473. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.12.002 DOI: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.12.002
Chen D. Z., An Q., Goddard W.A., Greer J.R. (2017) Ordering and dimensional crossovers in metallic glasses and liquids. Physical Review B, 95(2), 024103. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.024103 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.024103
Sereda B.P., Krugliak I.V., Baskevych O.S., Belokon Y.O., Krugliak D.O., Sereda D.B. (2019) The superficial strengthening of construction materials using composition saturant environments [Monograph]. DDTU. 246 p. ISBN 978-966-175-187-2.
Chen D.Z., Wen X.D., Lu J., Wang Q.M., Wang W.H. (2015) Fractal atomic level percolation in metallic glasses. Science, 349(6254), 1306–1310. https://doi.org/10.1126/science.aab1233 DOI: https://doi.org/10.1126/science.aab1233
Ding J., Asta M., Ritchie R.O. (2017) On the question of fractal packing structure in metallic glasses. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(32), 8458–8463. https://doi.org/10.1073/pnas.1705723114 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1705723114
Ma D., Stoica A.D., Wang X.-L. (2009) Power-law scaling and fractal nature of medium-range order in metallic glasses. Nature Materials, 8(1), 30–34. https://doi.org/10.1038/nmat2340 DOI: https://doi.org/10.1038/nmat2340
Sereda B.P., Baskevych O.S., Krugliak I.V., Sereda D.B., Krugliak D.O. (2023) Obtaining protective coatings using complex functionally active charges and electrodeposition. [Monograph]. DDTU. 190 p. ISBN 978-966-175-244-2
Tang L., Wen T., Wang N., Sun Y., Zhang F., Yang Z., Ho K.-M., Wang C.-Z. (2018) Structural and chemical orders in Ni₆₄.₅Zr₃₅.₅ metallic glass by molecular dynamics simulation. Physical Review Materials, 2(3), 033601. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.033601 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.033601
Wu Z. W., Huo C. W., Li F. X., et al. (2016). Critical scaling of icosahedral medium-range order in CuZr metallic glass-forming liquids. Scientific Reports, 6, 35967. https://doi.org/10.1038/srep35967 DOI: https://doi.org/10.1038/srep35967
Zhuravel I., Mychuda L., Zhuravel Y. (2020) Localization of steel fractures based on the fractal model of their metallographic images. Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science, 6(2), 12–22. https://doi.org/10.23939/ujmems2020.02.012 DOI: https://doi.org/10.23939/ujmems2020.02.012
Lu Z., Li H., Lei Z., Chang C., Wang X., Lu Z. (2018) The effects of metalloid elements on the nanocrystallization behavior and soft magnetic properties of FeCBSiPCu amorphous alloys. Metals, 8(4), 283. https://doi.org/10.3390/met8040283 DOI: https://doi.org/10.3390/met8040283
Huang B., Ge T. P., Liu G. L., Luan J. (2018) Density fluctuations with fractal order in metallic glasses detected by synchrotron X-ray nano-computed tomography. Acta Materialia, 155, 236–244. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.064 DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.064
