Al及B2-FeAl扩散性质的EAM理论研究

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自从Daw和Baskes提出了EAM理论以来,对材料计算的研究和发展有着很大的促进。它包含了原子间的多体相互作用因而合理地描述了原子间的相互作用势,不仅可以准确的计算材料的结构稳定性、声子谱、态密度、点缺陷、扩散和形成焓等热力学性能,还可以计算材料的表面和晶界性能例如表面能量和结构、表面弛豫、晶界结构等等。能否合理和成功地描述纯元素的基本性能是对一个原子模型理论最基本的检验,因此嵌入原子理论最先用来对纯元素的相关性质进行计算,而合金中原子的相互作用势是嵌入原子理论最重要的应用领域,不仅可以检验建立的嵌入原子势的适用性,还可预测许多实验无法得到的微观信息。FeAl金属间化合物具有良好的抗氧化性、抗硫化作用及高温性能,且材料的来源十分丰富价格便宜,是一种良好的中高温结构材料。本文采用的就是EAM理论对纯Al的表面性质和B2-FeAl的点缺陷和扩散性质进行了系统的研究。首先,本文给出了Fe-Al金属间化合物的EAM理论模型,并对纯A1和B2-FeAl的晶格常数、体积模量和弹性常数进行了计算,其结果与他人的实验和计算结果符合,说明这种模型是合理的。其次,本文采用该模型计算了纯Al的表面能、表面弛豫及表面自扩散性质,研究结果表明:(111)面最紧密,其表面能最小;表面弛豫与面密度相关,面密度越小表面弛豫越大;空位在表面的自扩散比在块体中扩散容易。最后,本文还用该模型计算了B2-FeAl的点缺陷及扩散性质,研究结果表明:四种点缺陷的形成能与第一原理计算的结果相符;在富A1区或富Fe区,Al反位或Fe反位分别为其显性缺陷,且四种点缺陷的浓度随组分的变化关系与第一原理得到的结果一致;比较各种扩散机制的激活能和前因子,几种扩散机制都是可行的,尤其是反桥位机制和六步跃迁循环机制,其激活能与实验值相差不大,并且在在富Fe区反桥位扩散机制是最可行的。
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