论文摘要：金属中间隙和溶质缺陷的计算机模拟

在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其他辐射、溶质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能完全规则、完整，常存在各种偏离理想结果的情况，即晶体缺陷。点缺陷是最基本的也是最重要的一类晶体缺陷，材料中或多或少的都存在一定浓度的点缺陷。其包含的间隙和溶质原子对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等都有很大的影响。另外，它还与扩散、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究点缺陷中的间隙和溶质原子具有重要的理论与实际意义。本文应用改进分析型嵌入原子法（MAEAM）结合分子动力学（MD），计算了体心立方（BCC）金属α-Fe体内自间隙原子处于任意位置的能量，根据能量最小化原则，获得六个相对稳定构形，并对八面体间隙原子附近直至第五近邻原子的弛豫位移做了详细的讨论和计算；计算了溶质原子处于九种面心立方(FCC)金属Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Rh、Al和Ir低指数(100)表面上前四层的表面偏析能，对其产生的偏析特性和与表面能的关系做了详细的分析；将元素变量(φ*和nws）和MAEAM相结合，从原子尺度上对十种FCC金属Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Rh、Al、Ir和Pb的38个不同晶面的表面能进行模拟计算、各向异性分析，并着重利用图解法对金属表面上溶质原子偏析性质做了较准确的预测。得出以下结果：
（1）对BCC金属Fe自间隙原子择优占位和自间隙原子的形成能进行研究，确定了六个相对稳定构形：八面体间隙、四面体间隙、挤列间隙、[100]、[110]和[111]哑铃间隙，其[110]哑铃间隙是最稳定、最可能存在的构形。还计算出[100]哑铃、[110]哑铃和[111]哑铃间隙原子间的距离分别为0.68、0.65和0.29。本文计算获得的[110]哑铃自间隙构造与[111]哑铃自间隙构造间的能量差-0.46eV比第一原理计算值-0.68eV、-0.69eV和-0.7eV，更接近于实验值-0.3eV。-Fe体内自间隙原子的形成能均按S110S111CTOS100的顺序依次增加，与Johnson的增加顺序一致。在相同位置上，间隙原子比空位较难形成。并对八面体间隙原子附近直至第五近邻原子的弛豫位移做了详细的讨论和计算。
（2）溶质原子处于九种FCC金属(100)表面前四层，产生了偏析能的振荡或一致衰减()现象，第一层的表面偏析能远大于其他层的表面偏析能。由第一层的表面偏析能和溶质与基体晶体表面能差的关系Δ，获得具有较低表面能的杂质(溶质)才会偏析到具有较高表面能的基体（溶剂）的表面，产生表面偏析现象这一结论。
（3）对十种FCC金属38个不同晶面的表面能进行模拟计算及各向异性分析。结果表明，FCC金属的密排面（111）的表面能最小，则该晶粒取向优先生长，与实验结果和第一原理的LMTO－ASA计算结果一致。各个晶面的表面能均随着其它晶面与（111）晶面的夹角余弦θ的增长而呈线性增长关系，因此利用（111）面可推导出其他各面的表面能量。且着重利用图解法对金属表面上溶质原子偏析性质做了较准确的预测。同样验证了具有较低表面能的杂质(溶质)才会偏析到具有较高表面能的基体（溶剂）的表面，产生表面偏析现象这一结论。