杂质原子在B2-FeAl合金中扩散性质的理论研究

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金属间化合物FeAl合金具有优异的抗氧化硫化性能、耐腐蚀性好、比强度高等被广泛应用,是一种良好的新型结构材料。但材料在工艺生产及加载过程中不可避免的与氢、硫、碳元素反应,导致材料室温延展性降低并发生脆性断裂与失效。微量(100ppm)的B能显著提高合金的塑性和耐磨性。FeAl合金中点缺陷的类型及其扩散与合金的蠕变、烧结、固态相变等性能密切相关。因此理论研究杂质原子在合金中的扩散规律及扩散影响因素对改善材料性能具有重要的指导意义。本文采用原子相互作用势(EAM势)通过分子静力学方法模拟B、C、H杂质原子在FeAl合金中的缺陷性质与扩散行为。首先,分别通过分子静力学计算了B2-FeAl的晶格常数、结合能、熔点和弹性常数,结果与实验值和他人的计算值一致,可见本文选用的EAM势模型是合理的。接着,采用该模型计算杂质原子B、C、H在FeAl合金块体中的缺陷类型与扩散机制,研究表明:B原子容易取代Al位,C原子容易取代Fe位,而H原子不能形成稳定的取代缺陷,易形成四面体间隙缺陷;块体里杂质原子所有的扩散机制中间隙扩散激活能最低,且H原子扩散最快,B次之,最后是C原子。其次,计算FeAl合金(100)-Al、(110)及(111)-Al的表面能,并计算B、C、H在这三个表面上的吸附与扩散情况,结果发现:(110)面排列最紧密,表面能最低;研究的杂质原子中,H吸附能最低,吸附能力最强,B原子次之;此外,杂质在表面上的扩散比块体中的扩散容易,H原子最容易扩散,扩散速度最快。最后,本文还研究B、C、H在FeAl合金Σ5(310)[001]界面上的点缺陷及扩散性质。结果发现:H形成取代缺陷不稳定,杂质原子形成In3间隙类型的形成能低于其他间隙缺陷与取代缺陷,且B、C原子的形成是一个放热过程。取代位扩散计算发现B、C原子迁移至界面Al2位的能量最低,杂质原子从块体中倾向于以第一近邻扩散机制(Fe位至Al位)迁移至晶界。
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