Fe-Al體系擴(kuò)散相關(guān)性質(zhì)的研究.pdf

1、擴(kuò)散過程與原子隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，這些熱運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生宏觀的濃度分布變化。研究擴(kuò)散過程可以提供許多有關(guān)材料的原子結(jié)構(gòu)以及缺陷演變過程相關(guān)的有用信息。擴(kuò)散與材料的制備、熱處理、以及蠕變過程都有密切關(guān)系。鐵和鋁都是工業(yè)生產(chǎn)中的重要原材料，在建筑、汽車、航天航空等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。研究鐵、鋁的擴(kuò)散性質(zhì)，有助于了解這兩種不同晶體結(jié)構(gòu)金屬的擴(kuò)散微觀機(jī)制，且對改善材料性能、改進(jìn)材料鍛造工藝等有重要指導(dǎo)意義。本文通過分子動(dòng)力學(xué)方法，采用嵌入原子相互作用勢

2、(EAM)對Fe和Al擴(kuò)散過程進(jìn)行了模擬。得到的結(jié)果與已有的理論的結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)值符合得較好，計(jì)算結(jié)果也表明鐵和鋁的自擴(kuò)散主要通過空位機(jī)制進(jìn)行。論文的主要結(jié)果如下:
　　用靜力學(xué)方法比較Fe、Al中不同結(jié)構(gòu)的空位和自間隙原子點(diǎn)缺陷形成時(shí)所需的能量，得到Fe、Al中最穩(wěn)定的空位和自間隙原子結(jié)構(gòu)。并用NEB方法計(jì)算了這些結(jié)構(gòu)經(jīng)不同路徑躍遷所需克服的勢壘大小，結(jié)果顯示空位躍遷到第一近鄰位置的激活能最低，是自擴(kuò)散中最可能發(fā)生的躍遷機(jī)制。再在

3、Fe、Al塊體中引入空位缺陷對其自擴(kuò)散進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到的擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值符合得很好。
　　除了空位和間隙原子這兩種最簡單的缺陷，雜質(zhì)原子是實(shí)際材料中一種不可避免的缺陷?？紤]到硼元素可以提高鋼的表面硬度和改善鋁的導(dǎo)電性能，同時(shí)硼也是改善鐵鋁金屬間化合物脆性的重要元素。本文對單個(gè)硼原子在Fe、Al中的穩(wěn)定存在的位置及擴(kuò)散進(jìn)行了計(jì)算。硼原子傾向于替代晶格中Fe、Al原子的位置，并通過躍遷到第一近鄰空位進(jìn)行擴(kuò)散。由于硼原子的存在，

4、還會(huì)對其附近空位的形成能產(chǎn)生影響。Fe中B原子周圍第一近鄰空位的形成能比純Fe中的空位形成能高，而B原子第二近鄰空位形成能比純Fe空位形成能低。Al中B第一近鄰和第二近鄰空位形成能都比純Al中空位形成能高。
　　最后本文還用分子動(dòng)力學(xué)模擬了Fe-Al界面的擴(kuò)散過程，發(fā)現(xiàn)主要為Fe原子擴(kuò)散進(jìn)入Al中，且溫度越高，擴(kuò)散到Al中的Fe原子越多、越遠(yuǎn)。相同溫度下，Al原子的運(yùn)動(dòng)速度比Fe原子快，但由于Al擴(kuò)散的遷移能比Fe高，只有少量Al