体心立方过渡金属点缺陷与刃位错的计算机模拟

摘要

金属材料常以多晶形态存在，材料中或多或少的都存在一定浓度的点缺陷和位错。点缺陷导致材料电阻率、晶格体积和热膨胀系数的增加。另外，点缺陷的扩散是金属中原子的输运或扩散进程的主要机制。线缺陷(位错)的滑动是引起材料塑性形变的主要原因，它直接影响着材料的强度、断裂、扩散与相变等过程，在半导体中则影响其电子性能。因此，对晶体中点缺陷和位错的研究一直是材料科学、冶金学、固体物理及固体化学研究的中心问题，希望通过研究它们的特性，来改良材料性能或为材料设计提供理论指导。本文采用改进分析型嵌入原子法(MAEAM)，以Mo、Fe为例从原子尺度对体心立方(BCC)过渡金属中的α[100]刃型位错弛豫结构进行了计算机模拟，详细分析了位错应变能及其附近原子能量的分布规律，探讨了刃型位错和点缺陷的交互作用。得到以下主要结论： (1)BCC金属Fe和Mo中α[100]刃型位错弛豫后的中心结构均有两个主要特征：一是位错核芯区域较小，与BCC金属通常的性质相符；二是受张区域原子的驰豫位移较大。详细的坐标分析发现，该弛豫结构具有C<,2v>点群对称性。这些结构特征同时也反映在能量上，即在[100]方向，原子的能量分布也具有对称性，同其结构对称性一致。当离位错线的径向距离R≥1.5b～2b时，计算的单位长度位错线的应变能E<,s>与ln(R/2b)成线性关系，由此确定的位错芯区半径r<,c>在1.56～2b范围内，由线性拟合的截距确定的Fe和Mo的α[100]刃型位错芯区的畸变能E<,core>分别为7.356eV/nm和16.334eV/nm。 (2)在考虑驰豫的情况下，研究了BCC金属Fe中的α[100]刃型位错和点缺陷的交互作用，发现空位离位错线越近，空位形成能越低，尤其是当空位与位错线间的距离小于两个晶格常数时，空位形成能最低，说明刃型位错具有捕获空位的趋向。 (3)尽管弹性理论可用于计算远离位错畸变区域的弹性应变能E<,e>，但无法确定位错畸变区的范围r<,c>和能量E<,core>。本文采用的MAEAM模型能够计算出整个位错区域内每个原子的位置和能量，从而揭示位错芯区的微观状态，弥补了弹性理论的不足。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1点缺陷

1.2位错类型及其特性

1.2.1位错类型

1.2.2柏氏矢量和位错的表征

1.2.3位错和晶体的形变、强度

1.3点缺陷与位错的理论和实验研究

1.4本文研究内容

第二章位错结构和能量的计算模型

2.1嵌入原子法(EAM)

2.2改进分析型嵌入原子法(MAEAM)

第三章体心立方金属刃型位错核芯结构及其应变能的计算

3.1位错的结构及能量计算流程

3.2 Mo的a[100]刃型位错驰豫结构和驰豫的方法

3.2.1 Mo的a[100]刃型位错驰豫平衡中心结构

3.2.2位错应变能及其分布

3.3 Fe的a[100]刃型位错驰豫结构及能量

3.3.1 Fe的a[100]刃型位错驰豫平衡中心结构

3.3.2位错应变能及其分布

3.4本章小结

第四章位错的应力场及其与其它缺陷的交互作用

4.1位错的应力场

4.2刃型位错和点缺陷的交互作用

4.2.1刃型位错与溶质原子的交互作用

4.2.2刃型位错对空位的捕获作用

4.3本章小结

总 结

参考文献

致 谢

攻读学位期间的研究成果