金屬及合金自擴(kuò)散的計(jì)算機(jī)模擬.pdf

1、在固體材料中，擴(kuò)散是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。材料在生產(chǎn)使用中的許多現(xiàn)象及材料的某些性能都與擴(kuò)散密切相關(guān)，如合金中的固態(tài)相變、冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶、凝固、偏析、沉淀、粉末冶金的燒結(jié)、均勻化退火及氧化、蠕變等。因此，闡述擴(kuò)散宏觀定律及微觀機(jī)制，了解影響擴(kuò)散的重要因素，以此為基礎(chǔ)深入研究擴(kuò)散行為具有理論與現(xiàn)實(shí)的雙重意義。本文應(yīng)用改進(jìn)分析型嵌入原子法(MAEAM)結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算了七種體心立方(BCC)過(guò)渡金屬、Cu<,3>Ag不可溶合金

2、自擴(kuò)散過(guò)程中的能量，理論分析了金屬間化合物NiAl中Ni的自擴(kuò)散行為和Pd(001)表面的空位形成能、遷移能和自擴(kuò)散激活能。從能量最小化出發(fā)，對(duì)純金屬和合金系統(tǒng)體內(nèi)空位擇優(yōu)的遷移機(jī)制以及表面最土層和表面附近層上空位的擇優(yōu)遷移機(jī)制做了詳細(xì)的分析。得出以下結(jié)果： (1) 計(jì)算了體心立方過(guò)渡金屬Fe、W、Mo、Cr、Ta、Nb和V自擴(kuò)散過(guò)程中的能量，對(duì)最近鄰(NN)、次近鄰(NNN)和第三近鄰(TNN)三種擴(kuò)散機(jī)制，其能量曲線均為對(duì)稱

3、曲線且能量的最大值均位于各自擴(kuò)散路徑的中點(diǎn)。對(duì)應(yīng)NN擴(kuò)散的激活能最低(遷移能也為最低)，因此，體心立方過(guò)渡金屬中的最可幾擴(kuò)散為單空位最近鄰擴(kuò)散。 (2) 在Cu<,3>Ag有序化合物中，Cu空位的形成能比Ag空位的形成能要低，所以在Cu<,3>Ag有序化合物中，Cu空位的平衡濃度要比Ag空位的高。比較四類Cu空位遷移和三類Ag空位遷移所需的遷移(或激活)能，可以確定對(duì)Cu空位最可幾的遷移機(jī)制是NN跳；對(duì)Ag空位是直[010]六步

4、跳循環(huán)(6JC)。由于較低的自擴(kuò)散激活能支配著擴(kuò)散過(guò)程，Cu空位NN跳的激活能要比Ag空位直[010]6JC的激活能低，可以確定在Cu<,3>Ag有序化合物中，前者為更有利的遷移機(jī)制。相應(yīng)地，可以得出下面結(jié)論：對(duì)Cu<,3>Ag有序化合物，最可幾的遷移機(jī)制是富Cu空位的NN跳。計(jì)算了NiAl中五種Ni擴(kuò)散(NNN跳、[110]6JC、直[100]6JC、彎[100]6JC和三缺陷擴(kuò)散)的形成能、遷移能和激活能。結(jié)果表明由于三缺陷擴(kuò)散機(jī)制

5、在五種擴(kuò)散機(jī)制中所需要的遷移能(或激活能)最低，所以Ni擴(kuò)散主要由三缺陷機(jī)制決定，這與Frank等人得出的結(jié)論一致<'[18]。 (3) 結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)(MD)和改進(jìn)分析型嵌入原子法(MAEAM)，對(duì)Pd(001)表面前六層中單空位的形成能、層內(nèi)和層間自擴(kuò)散的激活能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明表面單空位在第一層上的形成能最低，位于第二層時(shí)的形成能最高。對(duì)空位的層內(nèi)遷移，其空位激活能按第一、第二和第三層的順序增加，第三或第四層的比體內(nèi)的值

6、要稍微大一些，第三層的最大。對(duì)于空位在層間的遷移，一個(gè)單空位向上面原子層遷移時(shí)的自擴(kuò)散激活能隨著空位由第三層向第一層而減小。另一方面，空位向下面原子層遷移時(shí)的自擴(kuò)散激活能隨著空位由第一層向第三層而增加。通過(guò)比較一個(gè)空位的自擴(kuò)散激活能的相對(duì)大小，空位分別在第二、第三、第四或第五層時(shí)的本層中遷移、向上一層的遷移和向下一層的遷移，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)Pd(001)面，第二層上的空位最容易向第一層遷移。然而，第三、第四或第五層內(nèi)的單空位由于向上層遷移時(shí)的