金屬晶體材料中晶界缺陷研究進展

范開敏，王學航，趙　娟，趙紅琴

(四川文理學院智能制造學院，四川達州635000)

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金屬晶體材料中晶界缺陷研究進展

范開敏，王學航，趙娟，趙紅琴

(四川文理學院智能制造學院，四川達州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，從而導致晶界展現出不同的物理性質以及化學性質等.計算機模擬在研究材料微觀結構和宏觀性質方面扮演著越來越重的角色.重點討論關于金屬晶體中晶界缺陷在計算機模擬方面的最新研究進展，包括用分子動力學方法和第一性原理方法的相關研究進展.

晶界缺陷；第一性原理；分子動力學

金屬晶體材料中存在各種各樣的缺陷，例如，點缺陷、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，會導致材料的相關性質發生較大的變化.[1-3]Masatake Yamaguchi等人2005年在自然雜志上發表的報道顯示，作為雜質的硫原子會使得鎳晶體中的晶界膨脹，從而致使晶界的抗張強度(tensile strength)降低.[4]對立方結構金屬和合金材料的晶界性質的研究近些年來，不管不在實驗方面還是理論方面都有比較豐富的報道.[5-6]

最近這些年來，hcp結構的一些稀土金屬、稀有金屬等的特殊的性質及一些特定的用途，相應的晶界缺陷性質使研究者們產生了濃厚的興趣.[7-10]我們注意到，對hcp結構和立方結構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力學方法等的計算機模擬方法，[11-14]本論文我們主要討論在計算機模擬方面的關于晶界缺陷的最新研究方法，并且比較了其優、劣勢.

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，簡稱為晶界.按照夾角來分，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晶界，其中傾斜晶界包括對稱傾斜晶界和非對稱傾斜晶界，圖1為對稱傾斜晶界的示意圖和實驗圖.[15]

圖1對稱傾斜晶界圖，(a)對稱傾斜晶界示意圖(b)Au晶體中對稱傾斜晶界實驗圖

2　分子動力學方法在晶界研究中應用

分子動力學方法基于兩個基本假設，第一個是所研究系統的微觀粒子的運動可用牛頓運動方程描述.二是系統內微觀粒子之間的相互作用可以用疊加原理描述.例如，一個系統包含N個粒子，粒子的牛頓運動方程表述為：

(1)

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

(2)

其中，i是粒子的標號從1到N取值，Mi代表第i個微觀粒子的質量，ri和Fi分別表示位移和力，U(r1,r2,...,rN)為勢函數.

Ef=UN-1-UN-Ec

(3)

上式中，UN為具有N個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晶格中單個金屬原子的內聚能.研究表明空位形成能的大小依賴于空位到晶界面的距離，也就是晶界對空位的穩定性產生影響.

3　第一性原理方法在晶界研究中應用

由于計算機運算能力的提高，我們可以借助其強大的運算能力模擬微觀體系.材料計算機模擬方面的方法也越來越多，例如，基于密度泛函理論的第一性原理方法，已被證實為一種切實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構，多電子體系問題在密度泛函理論中被轉變為更易處理的單電子體系問題.

隨著全世界經濟的高速發展，人類面臨的最嚴峻問題之一是能源缺乏問題，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)的性質是國際熱核實驗反應堆項目(ITER)中的一個重要的課題.鎢(W)以及鎢的合金是一種優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，會損壞材料的微結構和力學性能.Zhou等人[13]為了探索W材料中晶界俘獲H的機制，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、擴散等性質.計算中采用包含[100]{013}Σ=5對稱傾斜晶界的超晶胞體，超晶胞含有80個W原子，該超晶胞的晶格常數為20.87 ?×9.97 ?×6.29 ?.結果顯示，在W-GB中，單個H原子更傾向于占據間隙位置而不是替代位置.并且發現W-GB扮演俘獲H原子的角色，在W-GB附近，H的擴散勢壘降低，H原子一旦進入W-GB就容易被俘獲而很難逃出.

圖2　hcp結構金屬1)面對稱傾斜晶界圖

(4)

4　結論

計算機能力的提高使得計算機模擬在材料研究領域成為一種非常重要的手段，材料計算機模擬節約實驗成本，并且能預測一些實驗無法觀察到的實驗現象.晶界(GB)是功能結構材料中一種典型的面缺陷，對材料的結構以及性能有重要的影響.本文主要介紹了計算機模擬在研究金屬材料晶界缺陷的研究進展，詳細討論了分子動力學方法和第一性原理方法在研究晶界缺陷方面的最新進展.兩種方法都被證實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性質方面結果更可靠些，然而分子動力學方法能夠處理大體系的模擬.在今后的材料模擬研究中，可以嘗試結合兩種方法利用其各自的優勢模擬研究晶界缺陷等性質.

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[責任編輯范藻]

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基金(14ZB0308);四川文理學院高級預研項目(2014YY001)；四川省大學生創新創業訓練項目(201410644023)；四川文理學院教改項目(2013JY16)

范開敏(1978—)，男，山東日照人.副教授，博士，主要從事材料結構與性能與理論物理研究.

O469

A

1674-5248(2016)05-0044-04