BCC結(jié)構(gòu)金屬物性的MAEAM理論研究.pdf

1、通過計(jì)算機(jī)模擬金屬材料的性能在過去的幾十年中取得了巨大的發(fā)展。伴隨著計(jì)算材料方法在材料設(shè)計(jì)上應(yīng)用的不斷推廣，人們已經(jīng)建立起一系列的方法來模擬過渡族bcc金屬及其合金的性能。通過計(jì)算機(jī)模擬不僅可以不斷優(yōu)化材料設(shè)計(jì)模型，而且通過虛擬實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)材料，提高了材料的使用效率，為材料設(shè)計(jì)開辟了一條全新的道路。
　　材料性能的計(jì)算機(jī)模擬方法繁多，最近三十年來，由于對(duì)金屬及金屬間化合物性能計(jì)算的方便性和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，嵌入原子方法（EA

2、M）受到了人們廣泛的關(guān)注。EAM發(fā)展過程中出現(xiàn)了四個(gè)模式:其一是Daw和Baskes的最初模式，其二是Johnson提出的分析型嵌入原子方法（AEAM），其三是Baskes提出的改進(jìn)型嵌入原子方法(MEAM)，其四是張邦維等人提出的改進(jìn)分析型嵌入原子方法(MAEAM)。MAEAM便于計(jì)算合金性能，并且能解決Johnson理論中的Cauchy壓PC=(C12-C44)/2的負(fù)值問題。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，胡望宇和舒小林提出了涉及更遠(yuǎn)近鄰原

3、子的MAEAM方法。但該模型中存在一些要改善的地方，包括兩體勢(shì)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)截尾特性、貴金屬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)之間能量差的不符合問題等。
　　由于原MAEAM方法的模型參數(shù)計(jì)算時(shí)沒有考慮各種典型金屬結(jié)構(gòu)之間的能量差，因此一些bcc金屬材料的結(jié)構(gòu)能量差計(jì)算結(jié)果不符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先，本文對(duì)傳統(tǒng)的涉及更遠(yuǎn)鄰的MAEAM理論進(jìn)行了修正。不僅采用了截尾處理函數(shù)和加強(qiáng)連接平滑條件，同時(shí)通過擬合各種典型金屬結(jié)構(gòu)之間的能量差、晶體的內(nèi)聚能、單空位形成

4、能、關(guān)于能量—晶格常數(shù)關(guān)系的Rose方程曲線、彈性常數(shù)以及晶體平衡條件，調(diào)整了多體勢(shì)的模型常數(shù)。為了解決過渡族金屬的各種結(jié)構(gòu)之間能量差的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其它計(jì)算值的不符合問題，確定模型輸入?yún)?shù)時(shí)考慮了各種結(jié)構(gòu)金屬之間的能量差。兩體勢(shì)截尾處理函數(shù)的采用導(dǎo)致了多余的兩個(gè)模型參數(shù)，通過其中一個(gè)模型參數(shù)的調(diào)整，將模型多體勢(shì)擬合結(jié)構(gòu)能量差。
　　其次，采用新的MAEAM多體勢(shì)計(jì)算了七種bcc金屬的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、聲子譜、態(tài)密度、晶格比熱。計(jì)算

5、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值及其他計(jì)算結(jié)果符合較好，盡管對(duì)個(gè)別金屬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值還存在一定差距，但整體上各種物理性能的計(jì)算結(jié)果都吻合于實(shí)驗(yàn)的變化規(guī)律，說明應(yīng)用新勢(shì)能函數(shù)的MAEAM理論模型，可以闡明這些金屬的大部分性質(zhì)。
　　最后，研究了七種bcc金屬的空位性能。在推導(dǎo)單空位和雙空位性能計(jì)算公式時(shí)參考并改進(jìn)了張邦維等人提出的計(jì)算方法;研究雙空位遷移時(shí)，計(jì)算了遷移原子附近遷移能的分布從而確定了遷移鞍點(diǎn)。本文得出的單空位形成能和擴(kuò)散能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)