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金属中空位形成与原子迁移机制研究

文艳妮  
【摘要】:空位是金属晶体中一种最为普遍的点缺陷。金属内部、表面和界面中的空位形成情况及其它们中的原子迁移所遵循的规律是有差异的。晶体中的空位会对晶体力学、物理和化学等性能产生重要的影响。在固体相变,空隙形成与增长,位错和界面迁移过程中,原子扩散的主要机制是空位的迁移。许多表面现象,如扩散、表面粗糙和偏析、氧化、腐蚀、吸附和晶体生长等直接与其表面空位及其原子的迁移有关。晶界处原子的迁移也会对晶体微观结构的变迁,相转变和蠕变,模型的塑性变形和裂缝产生直接影响,晶界处原子的迁移是由于点缺陷沿着晶界处迁移引起的。随着近几年光电技术的进步,对于材料性能的要求也越来越高,越来越多的人投入到对晶体中的点缺陷做全面而深入的研究,尤其是从微观层次研究材料的缺陷性质。 本论文应用改进分析型嵌入原子法理论和分子动力学理论,研究了面心立方金属Pt中的双空位形成机制;以面心立方金属Cu为研究对象,对空位在其扭转界面∑=5[001]和∑=9[110]中的扩散和其单吸附原子在(001)和(110)表面上的迁移进行了模拟计算;研究了空位在体心立方金属Fe∑=5[001](210)和(310)对称倾斜晶界中的扩散行为;以L12型合金Cu3Au为研究对象,研究了空位在其(110)表面上的扩散;以B2型合金NiAl为研究对象,研究了空位在其∑=5[001]扭转界面的扩散。结论如下: (1)在面心立方金属Pt中,单空位迁移的最佳路径是第一近邻迁移。在双空位形成能中,第一近邻构型的能量最低。从结合能观点考虑,第一近邻构型的两个单空位相互吸引。两个具有相互作用且距离大于第一近邻的单空位总是沿着最短路径相互靠近,并且在迁移能中,第一近邻构型的旋转式迁移能量最低。所以从能量最小化,两个单空位构成的第一近邻构型最稳定。 (2)空位容易在Cu∑=5[001]扭转界面第一,第二和第三层的未重合位置形成,这种情况随着原子层离界面的距离的减小而增强。在第二,第三和第四层上,重合位置和未重合位置的单空位都容易向靠近界面层的最近邻未重合位置迁移。对于第一层,未重合位置的空位容易向它们最近邻的未重合位置进行层内迁移,或者穿过界面,向旋转晶粒第一层的最近邻位置迁移,而重合位置‘1’上的空位很难向其它位置迁移。所以在界面附近存在空位聚集趋势。界面只影响靠近界面有限层的空位形成和迁移。 (3)空位能够自发的在Cu∑=9[110]扭转界面第一层的‘2’,‘3’,‘4’和‘5’位置形成,尤其是‘2’和‘4’位置。界面对空位在层内迁移的影响主要是第一层,其中最佳迁移路径是‘2’和‘3’之间,‘3’和‘4’之间以及‘5’和‘6’之间;在层间迁移的影响主要主要是涉及到第一层的1L-1L,2L-1L和3L.1L。其中对于1L-1L之间的最佳迁移路径是‘2’和‘d’之间,‘3’和‘e’之间,‘4’和‘b’’之间以及‘5’和‘g’之间;对于2L.1L之间的最佳迁移路径是第二层的位置‘a’向第一层的位置‘4’或‘7’,‘b’向‘4’或‘9’,‘c’向‘9’,‘d’向‘2’或‘7’,‘e’向‘2’或‘7’迁移;对于3L.1L之间的最佳迁移路径是从第三层的位置‘2’向第一层的位置‘2’,‘3’向‘3’,‘4’向‘4’,‘5’向‘5’迁移。结合空位形成能和扩散激活能,我们可以看出,空位容易在靠近界面的第一层形成,未旋转晶粒第一层的空位容易穿过界面向旋转晶粒第一层迁移,未旋转晶粒第二和第三层的空位容易向第一层迁移。所以,空位容易在Cu∑=9[110]扭转界面第一层聚集。 (4)当单吸附原子在Cu(001)和(110)表面扩散的时候,通过跳跃机制迁移的系统能量变化曲线关于中点对称,鞍点位于曲线的中点位置,而通过交换机制迁移的系统能量变化曲线为非对称曲线,鞍点总是靠近迁移吸附原子的起始位置。从扩散激活能和作用在吸附原子上的力,我们可以看出,吸附原子在Cu(001)表面容易通过跳跃机制迁移,吸附原子在Cu(110)表面最容易通过长桥跳跃机制迁移,最难通过短桥跳跃机制迁移。 (5)空位在Fe[001]∑=5(310)和(210)对称倾斜晶界第二层的形成能均比在其它层内的形成能低,表明空位在第二层的浓度较高。当空位在(310)和(210)对称倾斜晶界附近进行层内迁移的时候,第二层内的扩散激活能分别最低;层间迁移的时候,(310)和(210)的前十层和前八层的空位都分别易于向第二层迁移,所以在界面平面附近存在空位聚集趋势。 (6)有序结构L12型Cu3Au二元合金的混合端(110)表面呈现涟漪效应,第一原子层中Au原子位置高于Cu原子0.117A,前两层原子位移相对较大,而第三层原子位移很小,往下其它原子层原子几乎不动。空位最容易在第一层形成,尤其是Au位置处。对于初始位置在第二层,并且可在层内和层间进行扩散的空位,易于沿着不会引起局部混乱的路径向顶部第一层原子迁移,而初始位置在第一层的Au和Cu空位都易于沿着环形路径迁移。 (7)对具有有序结构B2型NiAl二元合金E=5[001]的扭转界面,在与界面平行的第一层原子发生了最大位移,重合位置C和1’处的原子总是靠近界面,而未重合位置A和2’处的原子总是远离界面。当空位在界面附近形成时,界面对空位的影响主要是前三层。在Al端重合位置的空位形成能总是比未重合位置空位形成能高,这种情况对于Ni端只在第一层出现,其它层内空位形成能情况与Al端正好相反。从能量最小化,空位最容易在Al端第二层未重合位置和Ni端第一层未重合位置形成。A1端第二层未重合位置处的单空位容易向Ni端的第一层重合位置迁移。Ni端第一层未重合位置和重合位置处的单空位容易沿着不引起局部混乱路径迁移。


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