孫權(quán)++王海鵬++倪冬

摘要：本文在對(duì)空位以及位錯(cuò)對(duì)原子擴(kuò)散的影響進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，分析晶界對(duì)摩擦焊過程中原子擴(kuò)散以及缺陷演化的影響。

關(guān)鍵詞：晶界，原子擴(kuò)散，微觀缺陷，影響

摩擦焊過程中原子發(fā)生了超擴(kuò)散現(xiàn)象，這與其擴(kuò)散條件是分不開的。在摩擦焊過程中，由于劇烈的塑性變形，材料中形成大量的微觀缺陷如空位以及位錯(cuò)等，在對(duì)空位以及位錯(cuò)對(duì)原子擴(kuò)散的影響進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，分析晶界對(duì)摩擦焊過程中原子擴(kuò)散以及缺陷演化的影響。

1晶界的構(gòu)造

材料變形過程中組織結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，其直接影響到原子的擴(kuò)散行為。晶界作為原子擴(kuò)散的通道之一，對(duì)原子的擴(kuò)散有著重要影響，因此下面對(duì)晶界的作用進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。

材料選用的是面心立方結(jié)構(gòu)Ti，為了構(gòu)造晶界，我們采用將模型按照一定的方向旋轉(zhuǎn)的方法。初始構(gòu)型如圖1（a）所示，然后將構(gòu)型分為左右兩組，分別旋轉(zhuǎn)一定的方向，為滿足右手定則，將左側(cè)部分按x方向（-1 1 0），y方向（1 1 -2），z方向（-1 -1 -1）旋轉(zhuǎn)，而右側(cè)部分按x方向（1 -1 0），y方向（-1 -1 2），z方向（-1 -1 -1）旋轉(zhuǎn)，相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度約為15度并由此構(gòu)造了晶界，構(gòu)型如圖1（b）所示，圖中不同的顏色代表不同的原子配位數(shù)。

2晶界對(duì)原子擴(kuò)散的影響

基于之前構(gòu)建的晶界模型，在1000K下研究晶界的演化過程，并對(duì)晶界附近三層原子的擴(kuò)散行為進(jìn)行研究，以此研究晶界處原子的擴(kuò)散行為與完整晶體中原子擴(kuò)散行為的差異。不同時(shí)刻晶界的演化過程如圖2所示。

在1000K條件下，通過對(duì)晶界處原子擴(kuò)散行為的模擬結(jié)果可知，相對(duì)于空位以及位錯(cuò)缺陷，晶界缺陷消失所需時(shí)間更長，約250PS才能完全消失；隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，大尺寸的晶界逐漸發(fā)生彎曲，局部彌合，形成多個(gè)小尺寸的局部缺陷，并逐漸消失；靠近模型邊緣處晶界消失速度大于模型中部晶界消失的速度。為了研究晶界對(duì)原子的擴(kuò)散行為的影響作用，下面對(duì)原子擴(kuò)散的均方根位移進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示。

通過計(jì)算表明晶界處原子的擴(kuò)散均方根位移曲線斜率約為0.8，而相同條件下完整晶體中原子的擴(kuò)散均方根位移斜率約為0.05，即晶界處原子的擴(kuò)散系數(shù)比完整晶體中原子擴(kuò)散系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明晶界處的原子擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于完整晶體中原子的擴(kuò)散速度。