發(fā)布時(shí)間：2018-10-25 11:46

【摘要】：擴(kuò)散過程與原子隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān),這些熱運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生宏觀的濃度分布變化。研究擴(kuò)散過程可以提供許多有關(guān)材料的原子結(jié)構(gòu)以及缺陷演變過程相關(guān)的有用信息。擴(kuò)散與材料的制備、熱處理、以及蠕變過程都有密切關(guān)系。鐵和鋁都是工業(yè)生產(chǎn)中的重要原材料,在建筑、汽車、航天航空等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。研究鐵、鋁的擴(kuò)散性質(zhì),有助于了解這兩種不同晶體結(jié)構(gòu)金屬的擴(kuò)散微觀機(jī)制,且對(duì)改善材料性能、改進(jìn)材料鍛造工藝等有重要指導(dǎo)意義。本文通過分子動(dòng)力學(xué)方法,采用嵌入原子相互作用勢(shì)(EAM)對(duì)Fe和Al擴(kuò)散過程進(jìn)行了模擬。得到的結(jié)果與已有的理論的結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)值符合得較好,計(jì)算結(jié)果也表明鐵和鋁的自擴(kuò)散主要通過空位機(jī)制進(jìn)行。論文的主要結(jié)果如下：用靜力學(xué)方法比較Fe、Al中不同結(jié)構(gòu)的空位和自間隙原子點(diǎn)缺陷形成時(shí)所需的能量,得到Fe、Al中最穩(wěn)定的空位和自間隙原子結(jié)構(gòu)。并用NEB方法計(jì)算了這些結(jié)構(gòu)經(jīng)不同路徑躍遷所需克服的勢(shì)壘大小,結(jié)果顯示空位躍遷到第一近鄰位置的激活能最低,是自擴(kuò)散中最可能發(fā)生的躍遷機(jī)制。再在Fe、Al塊體中引入空位缺陷對(duì)其自擴(kuò)散進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,得到的擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值符合得很好。除了空位和間隙原子這兩種最簡(jiǎn)單的缺陷,雜質(zhì)原子是實(shí)際材料中一種不可避免的缺陷�？紤]到硼元素可以提高鋼的表面硬度和改善鋁的導(dǎo)電性能,同時(shí)硼也是改善鐵鋁金屬間化合物脆性的重要元素。本文對(duì)單個(gè)硼原子在Fe、Al中的穩(wěn)定存在的位置及擴(kuò)散進(jìn)行了計(jì)算。硼原子傾向于替代晶格中Fe、Al原子的位置,并通過躍遷到第一近鄰空位進(jìn)行擴(kuò)散。由于硼原子的存在,還會(huì)對(duì)其附近空位的形成能產(chǎn)生影響。Fe中B原子周圍第一近鄰空位的形成能比純Fe中的空位形成能高,而B原子第二近鄰空位形成能比純Fe空位形成能低。Al中B第一近鄰和第二近鄰空位形成能都比純A1中空位形成能高。最后本文還用分子動(dòng)力學(xué)模擬了Fe-Al界面的擴(kuò)散過程,發(fā)現(xiàn)主要為Fe原子擴(kuò)散進(jìn)入Al中,且溫度越高,擴(kuò)散到A1中的Fe原子越多、越遠(yuǎn)。相同溫度下,Al原子的運(yùn)動(dòng)速度比Fe原子快,但由于Al擴(kuò)散的遷移能比Fe高,只有少量Al原子能夠進(jìn)入Fe中。
[Abstract]:The diffusion process is related to the random thermal movement of atoms, which can produce macroscopic concentration distribution changes. The study of diffusion process can provide a lot of useful information about the atomic structure of materials and the evolution of defects. Diffusion is closely related to material preparation, heat treatment, and creep process. Iron and aluminum are important raw materials in industrial production. They are widely used in construction, automobile, aerospace and other fields. The study of the diffusion properties of iron and aluminum is helpful to understand the diffusion mechanism of these two kinds of metals with different crystal structure, and it is of great significance to improve the properties of materials and the forging process of materials. In this paper, the diffusion processes of Fe and Al are simulated by using the embedded atomic interaction potential (EAM) by molecular dynamics method. The results are in good agreement with the theoretical and experimental results. The calculated results also show that the self-diffusion of iron and aluminum is mainly carried out through the vacancy mechanism. The main results of this paper are as follows: the energy required for the formation of defects in vacancies and self-interstitial atomic dots in Fe,Al is compared by statics method, and the most stable vacancy and self-gap atomic structures in Fe,Al are obtained. The NEB method is used to calculate the potential barrier size of these structures which need to be overcome by different paths. The results show that the activation energy of the vacancy transition to the first nearest neighbor is the lowest, which is the most likely transition mechanism in self-diffusion. Then the vacancy defects are introduced into the Fe,Al block to simulate the self-diffusion. The diffusion coefficient is in good agreement with the experimental data. In addition to the two simplest defects, vacancy and interstitial atoms, impurity atoms are an inevitable defect in practical materials. Considering that boron can improve the surface hardness of steel and improve the conductivity of aluminum, boron is also an important element to improve the brittleness of iron-aluminum intermetallics. In this paper, the stable existence and diffusion of single boron atom in Fe,Al are calculated. Boron atoms tend to replace the positions of Fe,Al atoms in the lattice and diffuse by transition to the first nearest neighbor vacancy. The formation energy of the first nearest neighbor vacancy around B atom in Fe is higher than that in pure Fe. The second nearest neighbor vacancy formation energy of B atom is lower than that of pure Fe vacancy formation energy, and the energy of B first nearest neighbor and second nearest neighbor vacancy formation in Al is higher than that in pure A1. Finally, the diffusion process of Fe-Al interface is simulated by molecular dynamics. It is found that the diffusion of Fe atoms into Al is the main one, and the higher the temperature, the more and farther Fe atoms diffuse to A1. At the same temperature, Al atoms move faster than Fe atoms, but only a few Al atoms can enter Fe because the transfer energy of Al diffusion is higher than that of Fe.
【學(xué)位授予單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG111.6

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2293612