結(jié)構(gòu)材料中雜質(zhì)復(fù)合缺陷的分子動力學和第一原理研究.pdf

1、目前材料科學基礎(chǔ)理論的研究，特別是計算材料學和材料設(shè)計，正在日益為改善材料性能和設(shè)計新材料提供強有力地指導(dǎo)，計算材料科學是當前材料科學中最為活躍的前沿領(lǐng)域之一。材料性質(zhì)不但依賴于材料的化學組分，而且在很大程度上還取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)。揭示或判明材料的微觀結(jié)構(gòu)特別是晶體缺陷與宏觀物性之間的聯(lián)系一直是計算材料學的一個重要主題。 本文通過分子動力學和第一性原理方法對材料中普遍存在而又非常重要的位錯、點缺陷、摻雜原子以及自擴散過程進行了

2、研究，獲得了一系列有意義的結(jié)果。主要有： 一、在bcc鐵中，通過不同類型刃型位錯的Peierls能計算，選擇了1/2[111](110)位錯為研究對象，通過分子動力學模擬，研究了該位錯在溫度場和應(yīng)力場下的動力學特征。結(jié)果表明：刃型位錯主要是通過扭折對的成核來實現(xiàn)運動的，預(yù)先存在的扭折沒有影響到刃型位錯的運動方式和運動速度?；谀M中的原子空間組態(tài)，計算得到扭折對形成能的平均值(0.08eV)遠小于扭折對遷移能的平均值(1.9eV

3、)。模擬得到Peierls應(yīng)力的大小為23MPa左右，當位錯剛啟動之后，可以近似認為是處于穩(wěn)定運動狀態(tài)，并且在Peierls應(yīng)力值附近，位錯速度與應(yīng)力的關(guān)系近似滿足一個平方根(3/2)關(guān)系。當高于Peierls應(yīng)力時，存在著低和高兩個應(yīng)力區(qū)域，在低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，位錯運動速度隨應(yīng)力的增加呈線性急劇增加，在高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，位錯速度的變化隨應(yīng)力的增加逐漸變得平緩，逐漸趨近于聲速。并且，低應(yīng)力區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域的過渡值為200MPa。另外，聲子拖曳系

4、數(shù)不但受溫度的影響，而且還受所施加應(yīng)力的影響，在高應(yīng)力區(qū)域的聲子拖曳系數(shù)遠大于在低應(yīng)力區(qū)域的聲子拖曳系數(shù)，在高應(yīng)力區(qū)域中的聲子拖曳系數(shù)曲線比其在低應(yīng)力區(qū)域中的平緩，并且隨著溫度的增加聲予拖曳系數(shù)逐漸趨近于一個恒定值3.7×10<'-4>Pa.s。溫度越高聲子拖曳系數(shù)越大，即對于一個給定的應(yīng)力，溫度的升高可以導(dǎo)致位錯運動速度的下降。 二、基于對各種原予間相互作用勢函數(shù)的評估，選擇了Johnson提出的分析型合金勢和一個考慮了原子間

5、長程作用的Cai-Ye勢，通過擬合純金屬元素Ni、Al和Re的基本物理性質(zhì)，包括：平衡晶格常數(shù)、結(jié)合能、彈性模量以及空位形成能。建立了一個Ni-Al-Re三元體系的分析型EAM勢。采用該分析型EAM勢計算了純金屬Ni、Al和Re以及金屬間化合物NiAl和Ni<,2>Al的基本物理性質(zhì)。所得的結(jié)果與實驗結(jié)果以及其他勢函數(shù)得出的結(jié)果符合很好。 三、基于本文所構(gòu)建的Ni-Al-Re三元體系EAM勢對NiAl和Ni<,2>Al中的空位形

6、成能、反位置缺陷形成能、遷移能以及激活能進行了計算，并研究了NiAl利Ni<,3>Al中點缺陷的存在方式以及自擴散行為。所構(gòu)建的多體勢可以很好地反映NiAl和Ni<,3>Al中的點缺陷及其原了自擴散行為：在B2-NiAl中，合金在富Ni時，結(jié)構(gòu)缺陷為Ni反位置缺陷；合金在富Al時，結(jié)構(gòu)缺陷為Ni空位缺陷。并且，Ni原子和Al原子在次近鄰擴散過程能量的變化是關(guān)于擴散路徑的中點對稱的，鞍點就分別位于各自擴散路徑的中點。而對于比較復(fù)雜的擴散行

7、為則沒有這種對稱性。在Ll<,2>-Ni<,3>Al中，合金在富Ni時，結(jié)構(gòu)缺陷為Ni反位置缺陷；合金在富Al時，結(jié)構(gòu)缺陷為Al反位置缺陷。并且，Ni原子最近鄰和Al原子次近鄰擴散過程中能量的變化是關(guān)于擴散路徑的中點對稱，鞍點就分別位于各自擴散路徑的中點。 四、研究了不同尺度上Re在Ni<,3>Al中的擇優(yōu)占位以及其集團化的行為?；诒疚乃鶚?gòu)建的Ni-Al-Re三元體系EAM勢函數(shù)對Re在Ni<,3>Al中的擇優(yōu)占位能、格位能、

8、晶格畸變以及成團能進行了計算。計算結(jié)果表明：我們所構(gòu)建的多體勢可以很好地反映Re在Ni<,3>Al中的擇優(yōu)占位及其集團化行為，Re在Ni<,3>Al中優(yōu)先置換Al的位置，且在發(fā)現(xiàn)當Re原予團的尺寸接近于11A時，Re原子團的長大趨勢變?nèi)?。并且基于密度泛函的第一原理Dmol方法和DVM研究了Re在Ni<,3>Al中的摻雜效應(yīng)?；谖覀兊姆肿觿恿W模擬模型實行了第一原理計算。結(jié)果表明：在Ni<,3>Al中，Re擇優(yōu)占據(jù)Al晶位，且Re導(dǎo)致局