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

1、目前材料科學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，特別是計(jì)算材料學(xué)和材料設(shè)計(jì)，正在日益為改善材料性能和設(shè)計(jì)新材料提供強(qiáng)有力地指導(dǎo)，計(jì)算材料科學(xué)是當(dāng)前材料科學(xué)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(xué)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(jì)算材料學(xué)的一個(gè)重要主題。 本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理方法對(duì)材料中普遍存在而又非常重要的位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、摻雜原子以及自擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)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(guò)不同類型刃型位錯(cuò)的Peierls能計(jì)算，選擇了1/2[111](110)位錯(cuò)為研究對(duì)象，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了該位錯(cuò)在溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)特征。結(jié)果表明：刃型位錯(cuò)主要是通過(guò)扭折對(duì)的成核來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，預(yù)先存在的扭折沒有影響到刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)速度?；谀M中的原子空間組態(tài)，計(jì)算得到扭折對(duì)形成能的平均值(0.08eV)遠(yuǎn)小于扭折對(duì)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(dāng)位錯(cuò)剛啟動(dòng)之后，可以近似認(rèn)為是處于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且在Peierls應(yīng)力值附近，位錯(cuò)速度與應(yīng)力的關(guān)系近似滿足一個(gè)平方根(3/2)關(guān)系。當(dāng)高于Peierls應(yīng)力時(shí)，存在著低和高兩個(gè)應(yīng)力區(qū)域，在低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)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(guò)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(yuǎn)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(gè)恒定值3.7×10<'-4>Pa.s。溫度越高聲子拖曳系數(shù)越大，即對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)力，溫度的升高可以導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的下降。 二、基于對(duì)各種原予間相互作用勢(shì)函數(shù)的評(píng)估，選擇了Johnson提出的分析型合金勢(shì)和一個(gè)考慮了原子間

5、長(zhǎng)程作用的Cai-Ye勢(shì)，通過(guò)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(gè)Ni-Al-Re三元體系的分析型EAM勢(shì)。采用該分析型EAM勢(shì)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果以及其他勢(shì)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(shì)對(duì)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(jìn)行了計(jì)算，并研究了NiAl利Ni<,3>Al中點(diǎn)缺陷的存在方式以及自擴(kuò)散行為。所構(gòu)建的多體勢(shì)可以很好地反映NiAl和Ni<,3>Al中的點(diǎn)缺陷及其原了自擴(kuò)散行為：在B2-NiAl中，合金在富Ni時(shí)，結(jié)構(gòu)缺陷為Ni反位置缺陷；合金在富Al時(shí)，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(kuò)散過(guò)程能量的變化是關(guān)于擴(kuò)散路徑的中點(diǎn)對(duì)稱的，鞍點(diǎn)就分別位于各自擴(kuò)散路徑的中點(diǎn)。而對(duì)于比較復(fù)雜的擴(kuò)散行

7、為則沒有這種對(duì)稱性。在Ll<,2>-Ni<,3>Al中，合金在富Ni時(shí)，結(jié)構(gòu)缺陷為Ni反位置缺陷；合金在富Al時(shí)，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(kuò)散過(guò)程中能量的變化是關(guān)于擴(kuò)散路徑的中點(diǎn)對(duì)稱，鞍點(diǎn)就分別位于各自擴(kuò)散路徑的中點(diǎn)。 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(tuán)化的行為?；诒疚乃鶚?gòu)建的Ni-Al-Re三元體系EAM勢(shì)函數(shù)對(duì)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(tuán)能進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：我們所構(gòu)建的多體勢(shì)可以很好地反映Re在Ni<,3>Al中的擇優(yōu)占位及其集團(tuán)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(dāng)Re原予團(tuán)的尺寸接近于11A時(shí)，Re原子團(tuán)的長(zhǎng)大趨勢(shì)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?dòng)力學(xué)模擬模型實(shí)行了第一原理計(jì)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