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

Хуснутдинов Р. М.; Хайруллина Р. Р.; Бельтюков А. Л.; Стерхова И. В.; Суслов А. А.; Ладьянов В. И.; Мокшин А. В.

doi:10.31857/S0040364423020096

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

Authors: Хуснутдинов Р.¹^,2, Хайруллина Р.¹, Бельтюков А.¹^,2, Стерхова И.¹^,2, Суслов А.², Ладьянов В.², Мокшин А.¹^,2
Affiliations:
1. Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики
2. Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН
Issue: Vol 61, No 2 (2023)
Pages: 220-225
Section: Thermophysical Properties of Materials
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/138697
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423020096
ID: 138697

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

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.

References

Balucani U., Zoppi M. Dynamics of the Liquid State. Oxford: Clarendon Press, 1994. 178 p.
Iida T., Guthrie R.I.L. The Physical Properties of Liquid Metals. Oxford: Oxford Sci. Publ., 1988. 288 p.
Götze W. Complex Dynamics of Glass Forming Liquids. A Mode-coupling Theory. Oxford: Oxford University Press. 2009. 656 p.
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.
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.
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.
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.
Saliou A., Jarry P., Jakse N. Excess Entropy Scaling Law: A Potential Energy Landscape View // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 044128.
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.
Khrapak S.A., Khrapak A.G. Excess Entropy and Stokes−Einstein Relation in Simple Fluids // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 044110.
Khrapak S.A. Diffusion, Viscosity, and Stokes–Einstein Relation in Dense Supercritical Methane // J. Mol. Liq. 2022. V. 354. P. 118840.
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.
Dzugutov M. A Universal Scaling Law for Atomic Diffusion in Condensed Matter // Nature. 1996. V. 381. P. 137.
Rosenfeld Y. A Quasi-universal Scaling Law for Atomic Transport in Simple Fluids // J. Phys.: Condens. Matter. 1999. V. 11. P. 5415.
Bell I.H., Dyre J.C., Ingebrigtsen T.S. Excess-entropy Scaling in Supercooled Binary Mixtures // Nature Commun. 2020. V. 11. P. 4300.
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.
Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. М.: Гостехиздат, 1955. 208 с.
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.
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.
Khusnutdinoff R.M. Dynamics of Liquid Lithium Atoms: Time Scales and Dynamic Correlation Functions // Acta Phys. Polonica A. 2020. V. 137. P. 267.
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.
Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J. Comput. Phys. 1995. V. 117. P. 1.
Sheng H.W., Ma E., Kramer M.J. Relating Dynamic Properties to Atomic Structure in Metallic Glasses // JOM. 2012. V. 64. P. 856.
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.
Verlet L. Computer “Experiments” on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard–Jones Molecules // Phys. Rev. 1967. V. 159. P. 98.
Chapman S., Cowling T.G. The Mathematical Theory of Non-uniform Gases. Cambridge: Cambridge University Press, 1970. 448 p.
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.
Kirkwood J.G., Boggs S.M. The Radial Distribution Function in Liquids // J. Chem. Phys. 1942. V. 10. P. 394.
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.
Bell I.H., Dyre J.C., Ingebrigtsen T.S. Excess-entropy Scaling in Supercooled Binary Mixtures // Nature Commun. 2020. V. 11. P. 4300.
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.
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.
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.
Kirova E.M., Norman G.E. Viscosity Calculations at Molecular Dynamics Simulations // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. V. 653. P. 012106.
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.
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.
Iida T., Guthrie R.I.L. The Thermophysical Properties of Metallic Liquids. V. 2. Predictive Models. Oxford: Oxford Press, 2015. 152 p.
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.