Cr在Fe—Cr合金中擴散過程的原子尺度模擬研究

潘龍 楊奔峰

摘 要：該文通過計算機模擬方法研究Cr在Fe-Cr合金中的擴散。用2BM（two band model）勢函數模型計算了Fe的空位形成能以及Fe-Cr合金中Cr與空位V之間的結合能、空位遷移能。按照固體中雜質擴散的五頻率模型，結合純鐵的分子動力學模擬，計算了合金中Cr原子的擴散系數。此外，在不同的溫度和空位濃度條件下，對Fe-1%Cr合金直接進行了分子動力學模擬計算，獲得了合金中Cr原子的擴散系數，結果與五頻率模型計算結果較為一致。

關鍵字：Fe-Cr合金 擴散 分子動力學 五頻率模型

中圖分類號：TG131 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0241-01

鐵素體/馬氏體（Ferritic/Martensitic，F/M）鋼具有優異的幾何穩定性、抗輻照腫脹和優良的耐腐蝕性能等特性，可以作為未來聚變示范堆和第四代核反應堆候選結構材料之一[1]。研究表明，Cr的加入對材料的輻照性能產生了很大的影響[2]。F/M鋼輻照過程中會產生富Cr的α相，導致材料脆化、應力腐蝕和化學腐蝕等性能變化[3]。目前α相的形核過程的動力學細節還不清楚，但是肯定應與空位擴散機制有關。核反應堆中材料受到中子輻照，產生大量空位。因此要想弄懂形核機理，必須了解合金中原子擴散過程。目前國內外關于Cr在Fe-Cr合金中擴散的研究尚未完善，該文采用計算機模擬方法來研究Cr在Fe-Cr合金中擴散過程的原子尺度的相關問題。首先通過原子擴散的五頻率模型，計算了Cr在Fe-Cr稀合金中的擴散系數，再通過分子動力學模擬計算得到了Cr在Fe-Cr合金中的擴散系數，對比兩者的結果，驗證計算的準確性，從而為相場模擬、動力學蒙特卡羅模擬等研究工作提供關于擴散的基礎數據。

1 勢函數

常用的合金體系勢函數模型是嵌入勢EAM（embedded-atom method）[4]。對于Fe-Cr體系，Olsson等人發展了雙帶模型（two band model，2BM）勢，該模型在EAM勢基礎上加入了s電子的貢獻，體系中原子i能量表示為：

3 結語

該文通過原子模擬方法和2BM勢函數，計算了Cr在Fe-Cr合金中擴散系數。首先通過五頻率模型預測Cr原子的擴散系數，另外用MD模擬直接計算Cr原子擴散系數。研究表明，2BM勢適用于Cr原子在Fe-Cr合金中擴散的研究，分子動力學和五頻率模型兩種方法的計算結果比較吻合，說明五頻率模型計算結果較準確，可用于研究雜質在合金中的擴散。

參考文獻

[1] 賀新福，楊文樊，勝論.FeCr合金幅照損傷的多尺度模擬[J].物理學報，2009，58（12）：8657-8669.

[2] Miller M K， Hyde J M，Cerezo A， et al. Comparison of low temperature decomposition in FeCr and duplex stainless steels[J].Applied surface science， 1995，87：323-328.

[3] Bonny G，Terentyev D， Malerba L. Identification and characterization of Cr-rich precipitates in FeCr alloys： An atomistic study[J].Computational Materials Science，2008，42（1）：107-112.

[4] Daw M S，Baskes M I.Embedded-atom method： Derivation and application to impurities，surfaces，and other defects in metals.Phys.Rev.Lett.，1983，50： 1285；Phys RevB.1984，29：6443.