范開(kāi)敏，王學(xué)航，趙　娟，趙紅琴

(四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院，四川達(dá)州635000)

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金屬晶體材料中晶界缺陷研究進(jìn)展

范開(kāi)敏，王學(xué)航，趙娟，趙紅琴

(四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院，四川達(dá)州635000)

晶界是一種典型的面缺陷.在晶界面附近，金屬晶體的原子排布與完美體相中的晶格排列存在比較明顯地不同，從而導(dǎo)致晶界展現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)等.計(jì)算機(jī)模擬在研究材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)方面扮演著越來(lái)越重的角色.重點(diǎn)討論關(guān)于金屬晶體中晶界缺陷在計(jì)算機(jī)模擬方面的最新研究進(jìn)展，包括用分子動(dòng)力學(xué)方法和第一性原理方法的相關(guān)研究進(jìn)展.

晶界缺陷；第一性原理；分子動(dòng)力學(xué)

金屬晶體材料中存在各種各樣的缺陷，例如，點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷等.金屬晶體中的晶界缺陷，作為一種典型的面缺陷，由于其與體相中晶格排列存在的差異，會(huì)導(dǎo)致材料的相關(guān)性質(zhì)發(fā)生較大的變化.[1-3]Masatake Yamaguchi等人2005年在自然雜志上發(fā)表的報(bào)道顯示，作為雜質(zhì)的硫原子會(huì)使得鎳晶體中的晶界膨脹，從而致使晶界的抗張強(qiáng)度(tensile strength)降低.[4]對(duì)立方結(jié)構(gòu)金屬和合金材料的晶界性質(zhì)的研究近些年來(lái)，不管不在實(shí)驗(yàn)方面還是理論方面都有比較豐富的報(bào)道.[5-6]

最近這些年來(lái)，hcp結(jié)構(gòu)的一些稀土金屬、稀有金屬等的特殊的性質(zhì)及一些特定的用途，相應(yīng)的晶界缺陷性質(zhì)使研究者們產(chǎn)生了濃厚的興趣.[7-10]我們注意到，對(duì)hcp結(jié)構(gòu)和立方結(jié)構(gòu)金屬晶體晶界的理論研究，主要采用基于第一性原理方法以及分子動(dòng)力學(xué)方法等的計(jì)算機(jī)模擬方法，[11-14]本論文我們主要討論在計(jì)算機(jī)模擬方面的關(guān)于晶界缺陷的最新研究方法，并且比較了其優(yōu)、劣勢(shì).

1　晶界缺陷

晶體材料中的晶粒與晶粒之間的界面稱之為晶粒界，簡(jiǎn)稱為晶界.按照夾角來(lái)分，晶界可以分為大角晶界和小角晶界兩種，按照原子排列情況，晶界分為：共格晶界、半共格晶界和非共格晶界.小角晶界有分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界，其中傾斜晶界包括對(duì)稱傾斜晶界和非對(duì)稱傾斜晶界，圖1為對(duì)稱傾斜晶界的示意圖和實(shí)驗(yàn)圖.[15]

圖1對(duì)稱傾斜晶界圖，(a)對(duì)稱傾斜晶界示意圖(b)Au晶體中對(duì)稱傾斜晶界實(shí)驗(yàn)圖

2　分子動(dòng)力學(xué)方法在晶界研究中應(yīng)用

分子動(dòng)力學(xué)方法基于兩個(gè)基本假設(shè)，第一個(gè)是所研究系統(tǒng)的微觀粒子的運(yùn)動(dòng)可用牛頓運(yùn)動(dòng)方程描述.二是系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子之間的相互作用可以用疊加原理描述.例如，一個(gè)系統(tǒng)包含N個(gè)粒子，粒子的牛頓運(yùn)動(dòng)方程表述為：

(1)

Fi=-U(r1,r2,...,rN)

(2)

其中，i是粒子的標(biāo)號(hào)從1到N取值，Mi代表第i個(gè)微觀粒子的質(zhì)量，ri和Fi分別表示位移和力，U(r1,r2,...,rN)為勢(shì)函數(shù).

Ef=UN-1-UN-Ec

(3)

上式中，UN為具有N個(gè)原子的包含晶界缺陷的體系的總能量，UN-1表示具有N-1個(gè)原子的含有晶界的體系弛豫后能量，Ec是完美hcp晶格中單個(gè)金屬原子的內(nèi)聚能.研究表明空位形成能的大小依賴于空位到晶界面的距離，也就是晶界對(duì)空位的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.

3　第一性原理方法在晶界研究中應(yīng)用

由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，我們可以借助其強(qiáng)大的運(yùn)算能力模擬微觀體系.材料計(jì)算機(jī)模擬方面的方法也越來(lái)越多，例如，基于密度泛函理論的第一性原理方法，已被證實(shí)為一種切實(shí)可用的研究微觀粒子體系的有效方法.[8,13-14]為了更方便有效的處理分子與電子微觀結(jié)構(gòu)，多電子體系問(wèn)題在密度泛函理論中被轉(zhuǎn)變?yōu)楦滋幚淼膯坞娮芋w系問(wèn)題.

隨著全世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類面臨的最嚴(yán)峻問(wèn)題之一是能源缺乏問(wèn)題，核能是一種重要的新能源.面向等離子體材料(又稱第一壁材料)的性質(zhì)是國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目(ITER)中的一個(gè)重要的課題.鎢(W)以及鎢的合金是一種優(yōu)良的面向等離子體材料，晶界、空位等缺陷是W材料中氫泡形成的根本原因，會(huì)損壞材料的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能.Zhou等人[13]為了探索W材料中晶界俘獲H的機(jī)制，基于密度泛函理論采用第一性原理方法研究了H在鎢晶界(W-GB)的形成能、擴(kuò)散等性質(zhì).計(jì)算中采用包含[100]{013}Σ=5對(duì)稱傾斜晶界的超晶胞體，超晶胞含有80個(gè)W原子，該超晶胞的晶格常數(shù)為20.87 ?×9.97 ?×6.29 ?.結(jié)果顯示，在W-GB中，單個(gè)H原子更傾向于占據(jù)間隙位置而不是替代位置.并且發(fā)現(xiàn)W-GB扮演俘獲H原子的角色，在W-GB附近，H的擴(kuò)散勢(shì)壘降低，H原子一旦進(jìn)入W-GB就容易被俘獲而很難逃出.

圖2　hcp結(jié)構(gòu)金屬1)面對(duì)稱傾斜晶界圖

(4)

4　結(jié)論

計(jì)算機(jī)能力的提高使得計(jì)算機(jī)模擬在材料研究領(lǐng)域成為一種非常重要的手段，材料計(jì)算機(jī)模擬節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，并且能預(yù)測(cè)一些實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.晶界(GB)是功能結(jié)構(gòu)材料中一種典型的面缺陷，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)以及性能有重要的影響.本文主要介紹了計(jì)算機(jī)模擬在研究金屬材料晶界缺陷的研究進(jìn)展，詳細(xì)討論了分子動(dòng)力學(xué)方法和第一性原理方法在研究晶界缺陷方面的最新進(jìn)展.兩種方法都被證實(shí)是一種有效的材料模擬工具，基于密度泛函理論的第一性原理方法在研究能量學(xué)性質(zhì)方面結(jié)果更可靠些，然而分子動(dòng)力學(xué)方法能夠處理大體系的模擬.在今后的材料模擬研究中，可以嘗試結(jié)合兩種方法利用其各自的優(yōu)勢(shì)模擬研究晶界缺陷等性質(zhì).

[1] Shan Z W, Stach E A, Wiezorek J M K, Knapp J A, Follstaedt D M and Mao S X.Grainboundary-mediatedplasticityinnanocrystallinenickel[J]. Science, 2004(305): 654-657.

[3] Sutton A P, Balluffi R W.Interfacesincrystallinematerials[M]. Oxford: Oxford University, 1995:557.

[4] Yamaguchi M, Shiga M, Kaburaki H.Grainboundarydecohesionbyimpuritysegregationinanickel-sulfursystem[J]. Science, 2005(307): 393-397.

[5] Haasz A A, Poon M, Davis J W.Theeffectofiondamageondeuteriumtrappingintungsten[J]. Journal of Nuclear Materials, 1999(266): 520-525.

[6] Funabiki T, Shimada T, Ueda Y, et al.Effectoftungstenmicrostructureonblisterformationbyhydrogenandcarbonmixedionbeamirradiation[J]. Journal of Nuclear Materials, 2004(329): 780-784.

[7] Yoo M H, Morris J R, Ho K M, et al.NonbasaldeformationmodesofHCPmetalsandalloys:roleofdislocationsourceandmobility[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2002(33): 813-822.

[8] Wang Y, Chen L Q, Liu Z K, et al.First-principlescalculationsoftwin-boundaryandstacking-faultenergiesinmagnesium[J]. Scripta Materialia, 2010(62): 646-649.

[9] Wang Y C, Ye H Q.OnthetiltgrainboundariesinhcpTiwith[000l]orientation[J]. Philosophical Magazine A, 1997(75): 261-272.

[12]Wang J, Beyerlein I J.Atomicstructuresofsymmetrictiltgrainboundariesinhexagonalclosepacked(hcp)crystals[J]. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 2012(20): 024002.

[13]Zhou H B, Liu Y L, Jin S, et al.TowardssuppressingHblisteringbyinvestigatingthephysicaloriginoftheH-HeinteractioninW[J]. Nuclear Fusion, 2010(50): 115010.

[15]黃維剛，薛冬峰.材料結(jié)構(gòu)與性能[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2010:57.

[16]Bauer R, J?gle E A, Baumann W, Mittemeijer E.Kineticsoftheallotropichcp-fccphasetransformationincobalt[J]. Phil. Mag., 2011(91):437-457.

[17]Serra A, Bacon D J.Computersimulationoftwinboundariesintheh.c.p.metals[J]. Phil. Mag., 1986(54):793-804.

[18]Morris J R, Ye Y Y, Ho K M, Chan C T, Yoo M H.Afirst-principlesstudyofcompressiontwinsinh.c.p.zirconium[J]. Phil. Mag. Lett., 1994(69):189-195.

[19]Pond R C, Bacon D J, Serra A, Sutton A P.Thecrystallographyandatomicstructureoflinedefectsintwinboundariesinhexagonal-close-packedmetals[J]. Metall. Trans. A, 1991(22): 85-96.

[20]Daw M S, Baskes M I.Embedded-atommethod:Derivationandapplicationtoimpurities,surfaces,andotherdefectsinmetals[J]. Phys. Rev. B, 1984(29):6443-6453.

[21]Finnis M W, Sinclair J E.AsimpleempiricalN-bodypotentialfortransitionmetals[J]. Philos. Mag. A, 1984(50):45-55.

[22]Serra A, Bacon D J.Computersimulationoftwinningdislocationinmagnesiumusingamany-bodypotential[J]. Philos. Mag. A, 1991(63):1001-1012.

[23]Simon J P.ComputersimulationoftwinboundariesinHCPnormalmetals:Li,Be,Mg,Zn,Cd[J]. J. Phys. F, Met. Phys., 1980(10):337-345.

[責(zé)任編輯范藻]

Research Progress on Grain Boundary in Metal Materials

FAN Kaimin,WANG Xuehang,ZHAO Juan,ZHAO Hongqin

(Intelligent Manufacturing School of Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000, China)

Grain boundary is one kind of plane defect. Near the grain boundary, the atomic arrangement is different from that in bulk, which leads to extraordinary physical property and chemical property. Computer simulation act as an important role in the studies on the microstructure and macroscopic property of materials. In the present work, the recent research progress on the grain boundary defect in metal materials has been introduced, including molecular dynamics method and first-principles method.

Grain boundary; first-principles; molecular dynamics

2015-09-28

四川省教育廳自然科學(xué)基金(14ZB0308);四川文理學(xué)院高級(jí)預(yù)研項(xiàng)目(2014YY001)；四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201410644023)；四川文理學(xué)院教改項(xiàng)目(2013JY16)

范開(kāi)敏(1978—)，男，山東日照人.副教授，博士，主要從事材料結(jié)構(gòu)與性能與理論物理研究.

O469

A

1674-5248(2016)05-0044-04