论文摘要：金属和合金自扩散的计算机模拟

摘要 在固体材料中，扩散是实现质量传输的唯一途径。材料在生产和使用过程中的许多现象和材料的某些性能都与扩散密切相关，如合金中的固态相变、冷变形金属的恢复和再结晶、粉末的凝固、偏析、析出、烧结和均匀化等。冶金学 退火和氧化、蠕变等。因此，阐明扩散的宏观规律和微观机理，了解影响扩散的重要因素，并在此基础上研究扩散行为具有理论和现实意义。本文采用改进的解析插层原子法（MAEAM）结合计算机模拟计算了七种体心立方（BCC）过渡金属和Cu3Ag不溶性合金的自扩散过程中的能量，以及自扩散过程中的自扩散能量。理论上分析了Ni在金属间化合物NiAl中的扩散。 Pd(001)表面的行为和空位形成能、迁移能和自扩散活化能。从能量最小化的角度，详细分析了纯金属和合金体系中空位的优先迁移机制以及空位在最上层和近地表层的优先迁移机制。得到以下结果： (1)计算了体心立方过渡金属Fe、W、Mo、Cr、Ta、Nb和V在自扩散过程中的能量。对于最近邻（TNN）的三种扩散机制，它们的能量曲线都是对称曲线，最大能量位于各自扩散路径的中点。 NN扩散对应的活化能最低（也是迁移能最低），因此BCC过渡金属中最可能的扩散是单空位最近邻扩散。 (2)在Cu3Ag有序化合物中，Cu空位的形成能低于Ag空位，因此在Cu3Ag有序化合物中，Cu空位的平衡浓度高于Ag空位。比较四种Cu空位迁移和三种Ag空位迁移所需的迁移（或活化）能量，可以确定Cu空位最可能的迁移机制是NN跳跃；对于 Ag 空位，它是一个直的 [010] 六步跳跃循环 (6JC)。由于较低的自扩散活化能支配了扩散过程，因此Cu空位中NN跳跃的活化能低于Ag空位[010]6JC的活化能，可以确定在Cu3Ag有序化合物中，前者是更有利的迁移机制。相应地，可以得出以下结论：对于Cu3Ag有序化合物，最可能的迁移机制是富Cu空位的NN跳跃。计算了NiAl中5种Ni扩散（NNN跳跃、[110]6JC、直线[100]6JC、弯曲​​[100]6JC和三缺陷扩散）的形成能、迁移能和活化能。结果表明，由于三缺陷扩散机制需要的迁移能（或活化能）是五种扩散机制中最低的，因此Ni扩散主要由三缺陷机制决定，这与Frank等人得出的结论一致。 . [18]。 (3)结合分子动力学(MD)和改进的解析插层原子法(MAEAM)，得到Pd(001)表面前6层单个空位的形成能，以及层内和层间自扩散的活化能进行了研究。 .结果表明，表面单个空位的形成能在第一层最低，在第二层最高。对于空位的层内迁移，空位的活化能按照第一层、第二层和第三层的顺序增加，第三层或第四层略大于体内值，第三层最大。对于层间空位的迁移，当空位从第三层移动到第一层时，单个空位迁移到上原子层时的自扩散活化能降低。另一方面，当空位迁移到下面的原子层时，自扩散的活化能随着空位从第一层移动到第三层而增加。通过比较一个空位的自扩散活化能的相对大小，空位在第二和第三，第四层或第五层，本层的迁移、上层的迁移和下一层的迁移，我们发现对于Pd(001)表面，第二层的空位最有可能迁移到第一层。然而，第三、第四或第五层中的单个空位不太可能向上迁移，因为迁移至上层时的自扩散活化能大于迁移至内层和向下时的活化能。 .在第 5 层以下，三个方向的扩散活化能与体值大致相等，与实验数据吻合较好，表明表面仅对位于第 5 层空位的形成和迁移能有影响前五层。