Molecular dynamics study of random and ordered metals and metal alloys

Abstract

oz DÜZENLİ VE DÜZENSİZ METAL VE METAL ALAŞIMLARININ MOLEKÜLER-DİNAMİK ÇALIŞMASI Kart, Hasan Hüseyin Doktora, Fizik Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Mehmet Tomak Ağustos 2004, 105 sayfa. Pd, Ag metallerinin ve Pd-Ag alaşımlarının katı, sıvı ve soğutma özellikleri moleküler dinamik simülasyonu ile çalışıldı. Sıcaklığın ve konsantrasyonun Pd-Ag alaşımının fiziksel özelliklerine olan etkisi araştırıldı. Geçiş metalleri ve metal alaşımlarının termodinamik, statik, ve dinamik özelliklerini araştırmak için, atomlar arası etk ileşmeleri tanımlayan Sutton-Chen (SC) ve quantum Sutton-Chen (Q-SC) çok cisimli potensiyelleri kullanıldı. Pd, Ag ve Pd-Ag alaşımlarının bağlanma ener jisi, yoğunluk, elastik sabiti, bulk modulus, çift dağılım fonksiyonu, erime sıcaklığı ve fonon dispersiyon ilişkilerinin değişik sıcaklıklardaki deneysel değerlerle uyum içinde olduğu gözlendi. Q-SC potansiyel parametreleri ile hesaplanan erime nok talan SC potansiyeli ile hesaplanan değerlere göre deneysel değerlere daha yakındır. Difüzyon, viskosite gibi Q-SC potansiyeli ile hesaplanan sıvı özellikler deneysel ve teorik değerlerle uyum içindedir. Simülasyondan hesaplanan difüzyon katsayısı ve viskosite Arrhenius denklemine iyi bir şekilde uymaktadır. Arrhenius denklem inin katsayıları, farklı sıcaklık ve karışımlarda diffüzyon ve viskositeyi hesaplamak için elde edildi. Farklı soğutma oranlan kullanılarak, Pd-Ag alaşımının kristalleşme ve camsı yapı göstermesi, çift dağılım fonksiyonu, entalpi, hacim ve difüzyon katsayısı vianaliz edilerek incelenmiştir. Camsı yapı ve kristalleşme sıcaklıkları Wendt- Abraham parametresi kullanılarak da elde edilmiştir. Çift dağılım fonksiyonun daki ikinci tepenin yarılması camsı yapının bir özelliği olarak düşünülür. Bu çalışmada ayrıca bakır (Cu) ve altın (Au) metallerinin ve bu metallerin oluşturduğu Cu3Au(Lİ2), CuAu(Ll0), ve CuAu3(Lİ2) düzenli bakır ve altın alaşımlarının sıcaklığa bağlı fiziksel özellikleri araştırıldı. Elde edilen bağlanma enerjisi, örgü sabiti, yoğunluk, elastik sabiti, bulk modulus, ısı sığası, ısısal genleşme, erime nok tası, ve fonon dispersiyon ilişkisi gibi özelliklerin deneysel ve diğer çalışmalarla uyumlu olduğu gözlendi. Q-SC potansiyel parametreleri bu çalışmada incelenen metal ve metal alaşımlarının fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde daha güvenilir olduğu tesbit edildi. Anahtar Kelimeler: Moleküler Dinamik, Metaller ve Metal Alaşımları, Pd-Ag, Intermetaller, Gu-Au, Termal ve Mekanik Özellikler, Phonon Dispersiyon İlişkisi, Sıvı Metaller, Metalik Gamlar, Diffuzyon Katsayısı, Viskosite, Isı Sığası, Isısal genişleme. vu

ABSTRACT MOLECULAR DYNAMICS STUDY OF RANDOM AND ORDERED METALS AND METAL ALLOYS Kart, Hasan Hüseyin Ph.D., Department of Physics Supervisor: Prof. Dr. Mehmet Tomak August 2004, 105 pages. The solid, liquid, and solidification properties of Pd, Ag pure metals and especially Pda-Agi-a, alloys are studied by using the molecular dynamics simulation. The effects of temperature and concentration on the physical properties of Pd^Agi-a; are analyzed. Sutton-Chen (SC) and Quantum Sutton-Chen (Q-SC) many-body potentials are used as interatomic interactions which enable one to investigate the thermodynamic, static, and dynamical properties of transition metals. The simulation results such as cohesive energy, density, elastic constants, bulk modulus, pair distribution functions, melting points and phonon dispersion curves obtained for Pd, Ag and Pda-Agı-^ are in good agreement with the available experimental data at various temperatures. The predicted melting points of Pd, Ag and their binary alloys by using Q-SC potential parameters are closer to experimental values than the ones predicted from SC potential parameters. The liquid properties such as diffusion constants and viscosities computed from Q- SC potentials are also in good agreement with the available experimental data and theoretical calculations. Diffusion coefficients and viscosity results calculated from simulation obey the Arrhenius equation well. The coefficients of the Arrhenius equation are given in order to calculate the self-diffusion coefficient and shear viscosity of Pd-Ag alloys at the desired temperature and concentration. ivUsing different cooling rates, we investigate glass formation tendency and crys tallization of Pd-Ag metal alloys, by analyzing pair distribution function, enthalpy, volume, and diffusion coefficient. Pd-Ag alloys show the glass structure at fast cooling rates while it crystallizes at slow cooling rates. Glass and crystallization temperatures are also obtained from the Wendt- Abraham parameter. The split of the second peak in the pair distribution function is associated with the glass transition. Glass forming ability increases with increasing concentration of Ag in Pd-Ag alloys. Thermal and mechanical properties of Cu, Au metals and their ordered intermetal- lic alloys Cu3Au(Ll2), CuAu(Llo), and GuAu3(Lİ2) are also studied to investigate the effects of temperature and concentration on the physical properties of Cu-Au alloys. The simulation results such as cohesive energy, lattice parameter, density, elastic con stants, bulk modulus, heat capacity, thermal expansion, melting points, and phonon dispersion curves are in good agreement with the available experimental and theoretical data at various temperatures. The Q-SC potential parameters are more reliable in determining physical properties of metals and their random and ordered alloys studied in this work. Keywords: Molecular Dynamics, Metals and Metal Alloys, Pd-Ag, Cu-Au, In- termetallic Alloys, Thermal and Mechanical Properties, Phonon Dispersion Re lations, Liquid Metals, Metallic Glasses, Diffusion Coefficient, Viscosity, Heat Capacity, Thermal Expansion.