金屬及合金自擴散的計算機模擬.pdf

1、在固體材料中，擴散是實現(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，闡述擴散宏觀定律及微觀機制，了解影響擴散的重要因素，以此為基礎(chǔ)深入研究擴散行為具有理論與現(xiàn)實的雙重意義。本文應(yīng)用改進分析型嵌入原子法(MAEAM)結(jié)合計算機模擬計算了七種體心立方(BCC)過渡金屬、Cu<,3>Ag不可溶合金

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

3、曲線且能量的最大值均位于各自擴散路徑的中點。對應(yīng)NN擴散的激活能最低(遷移能也為最低)，因此，體心立方過渡金屬中的最可幾擴散為單空位最近鄰擴散。 (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Cu空位最可幾的遷移機制是NN跳；對Ag空位是直[010]六步

4、跳循環(huán)(6JC)。由于較低的自擴散激活能支配著擴散過程，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制。相應(yīng)地，可以得出下面結(jié)論：對Cu<,3>Ag有序化合物，最可幾的遷移機制是富Cu空位的NN跳。計算了NiAl中五種Ni擴散(NNN跳、[110]6JC、直[100]6JC、彎[100]6JC和三缺陷擴散)的形成能、遷移能和激活能。結(jié)果表明由于三缺陷擴散機制

5、在五種擴散機制中所需要的遷移能(或激活能)最低，所以Ni擴散主要由三缺陷機制決定，這與Frank等人得出的結(jié)論一致<'[18]。 (3) 結(jié)合分子動力學(xué)(MD)和改進分析型嵌入原子法(MAEAM)，對Pd(001)表面前六層中單空位的形成能、層內(nèi)和層間自擴散的激活能進行了研究。結(jié)果表明表面單空位在第一層上的形成能最低，位于第二層時的形成能最高。對空位的層內(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。對于空位在層間的遷移，一個單空位向上面原子層遷移時的自擴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的自擴散激活能隨著空位由第一層向第三層而增加。通過比較一個空位的自擴散激活能的相對大小，空位分別在第二、第三、第四或第五層時的本層中遷移、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的