密排六方金属中点缺陷结构的高通量原子模拟研究

发布时间：2020-05-26 00:42

【摘要】：随着材料研究的深入发展,高通量计算在计算材料学中的作用越来越大。通过原子尺度的计算,可以研究材料的微观结构以及这些微观结构对材料性能的影响。在辐照条件下,金属材料中会形成大量的点缺陷,这些点缺陷经过一段时间会形成各种形式的点缺陷团簇或空洞等。材料宏观上的力学性能发生变化,很大一部分原因就是这些团簇或者空洞会导致微观组织发生改变。金属锆和金属钛均是密排六方结构金属,是分子动力学和静力学领域广泛研究的材料。锆材是一种重要的堆芯结构材料,是保证核反应堆安全高效运行的关键,金属钛在航空航天、医药工程领域应用也是非常广泛。实验表明,变形是通过在棱镜面上形成间隙位错环,在基面上形成空位环,在位错和晶界上形成空位湮灭来实现的。可见,点缺陷团簇对金属的力学性能的影响是非常大的,但是在实验上很难观察到点缺陷比如空位或者间隙团簇的构型特征以及它们的演化过程。本文采用分子动力学方法,通过ART搜索系统的研究了金属锆和金属钛中空位和间隙团簇的稳定和亚稳定构型,计算每种构型的形成能和结合能,并绘制曲线结合构型总结规律。研究发现,金属锆中小数目空位团簇构型主要是平面对称结构,随着空位数目的增加,团簇构型逐渐演变成3D空间对称结构,并且不同数目下的最稳定团簇构型对具有高度的对称性,而且中等数目团簇构型中都包含有小数目空位团簇构型。间隙团簇构型相反,最稳定团簇构型都呈平面结构并且具有对称性,其中五间隙团簇构型的结合能最低,构型具有高度对称性。中等数目间隙团簇构型中都包含有小数目间隙团簇构型。钛及钛合金在加工生产及使用过程中均会形成点缺陷,从而影响钛的加工使役性能。本文通过ART搜索分别研究了钛不同尺寸的空位和间隙团簇的稳定构型和亚稳定构型。研究发现,金属钛中各数目空位团簇最稳定构型结构与金属锆中各数目空位团簇构型相同。大尺寸空位团簇构型中包含小数目空位团簇构型,中等数目的空位团簇构型呈空间对称结构。各间隙团簇最稳定构型中间隙原子和空位都分布在同一平面上,并且也是对称结构,这一点也与金属锆中情况相同,而且大尺寸的间隙团簇构型中也包含小尺寸间隙团簇构型。
【图文】：

间隙原子,空位,形式

图 1.3 空位和自间隙原子形式，对应的点缺陷浓度越大。在级联过程的模数量的点缺陷。体系温度和初始碰撞以及初缺陷数量。空位在室温下一般比较稳定，较，并且随着温度的升高，空位和间隙原子都陷对材料性能的影响多关键应用中受到了点缺陷的影响，其中点响了金属性质，并因为与位错强烈的相互作能正常工作取决于空位和间隙原子的形成及重要物理因素：首先，自间隙原子会导致周形成能非常高，对于许多金属约为 4-5eV。隙团簇的迁移能量很低，，通常为 0.1-0.2eV

分子动力学,算法,分子动力学方法,哈密顿方程

第二章计算模拟方法一、分子动力学方法（一）分子动力学简介分子动力学（MD)方法是一种原子尺度上的计算模拟方法，其整体思想是采用牛顿运动方程或拉格朗日、哈密顿方程，通过考察原子或分子的运动以达到研究多粒子体系物理性质的目的随着计算科学及计算机运算能力的迅猛发展，分子动力学方法得到了快速的发展和广泛的应用，使其成为计算材料科学中原子尺度模拟的重要方法。
【学位授予单位】：沈阳师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL341

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