金属晶体材料中晶界缺陷研究进展

范开敏，王学航，赵　娟，赵红琴

(四川文理学院智能制造学院，四川达州635000)



金属晶体材料中晶界缺陷研究进展

范开敏，王学航，赵娟，赵红琴

(四川文理学院智能制造学院，四川达州635000)

晶界是一种典型的面缺陷.在晶界面附近，金属晶体的原子排布与完美体相中的晶格排列存在比较明显地不同，从而导致晶界展现出不同的物理性质以及化学性质等.计算机模拟在研究材料微观结构和宏观性质方面扮演着越来越重的角色.重点讨论关于金属晶体中晶界缺陷在计算机模拟方面的最新研究进展，包括用分子动力学方法和第一性原理方法的相关研究进展.

晶界缺陷；第一性原理；分子动力学

金属晶体材料中存在各种各样的缺陷，例如，点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等.金属晶体中的晶界缺陷，作为一种典型的面缺陷，由于其与体相中晶格排列存在的差异，会导致材料的相关性质发生较大的变化.[1-3]Masatake Yamaguchi等人2005年在自然杂志上发表的报道显示，作为杂质的硫原子会使得镍晶体中的晶界膨胀，从而致使晶界的抗张强度(tensile strength)降低.[4]对立方结构金属和合金材料的晶界性质的研究近些年来，不管不在实验方面还是理论方面都有比较丰富的报道.[5-6]

最近这些年来，hcp结构的一些稀土金属、稀有金属等的特殊的性质及一些特定的用途，相应的晶界缺陷性质使研究者们产生了浓厚的兴趣.[7-10]我们注意到，对hcp结构和立方结构金属晶体晶界的理论研究，主要采用基于第一性原理方法以及分子动力学方法等的计算机模拟方法，[11-14]本论文我们主要讨论在计算机模拟方面的关于晶界缺陷的最新研究方法，并且比较了其优、劣势.

1　晶界缺陷

晶体材料中的晶粒与晶粒之间的界面称之为晶粒界，简称为晶界.按照夹角来分，晶界可以分为大角晶界和小角晶界两种，按照原子排列情况，晶界分为：共格晶界、半共格晶界和非共格晶界.小角晶界有分为倾斜晶界和扭转晶界，其中倾斜晶界包括对称倾斜晶界和非对称倾斜晶界，图1为对称倾斜晶界的示意图和实验图.[15]

图1对称倾斜晶界图，(a)对称倾斜晶界示意图(b)Au晶体中对称倾斜晶界实验图

2　分子动力学方法在晶界研究中应用

分子动力学方法基于两个基本假设，第一个是所研究系统的微观粒子的运动可用牛顿运动方程描述.二是系统内微观粒子之间的相互作用可以用叠加原理描述.例如，一个系统包含N个粒子，粒子的牛顿运动方程表述为：

(1)

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

(2)

其中，i是粒子的标号从1到N取值，Mi代表第i个微观粒子的质量，ri和Fi分别表示位移和力，U(r1,r2,...,rN)为势函数.

Ef=UN-1-UN-Ec

(3)

上式中，UN为具有N个原子的包含晶界缺陷的体系的总能量，UN-1表示具有N-1个原子的含有晶界的体系弛豫后能量，Ec是完美hcp晶格中单个金属原子的内聚能.研究表明空位形成能的大小依赖于空位到晶界面的距离，也就是晶界对空位的稳定性产生影响.

3　第一性原理方法在晶界研究中应用

由于计算机运算能力的提高，我们可以借助其强大的运算能力模拟微观体系.材料计算机模拟方面的方法也越来越多，例如，基于密度泛函理论的第一性原理方法，已被证实为一种切实可用的研究微观粒子体系的有效方法.[8,13-14]为了更方便有效的处理分子与电子微观结构，多电子体系问题在密度泛函理论中被转变为更易处理的单电子体系问题.

随着全世界经济的高速发展，人类面临的最严峻问题之一是能源缺乏问题，核能是一种重要的新能源.面向等离子体材料(又称第一壁材料)的性质是国际热核实验反应堆项目(ITER)中的一个重要的课题.钨(W)以及钨的合金是一种优良的面向等离子体材料，晶界、空位等缺陷是W材料中氢泡形成的根本原因，会损坏材料的微结构和力学性能.Zhou等人[13]为了探索W材料中晶界俘获H的机制，基于密度泛函理论采用第一性原理方法研究了H在钨晶界(W-GB)的形成能、扩散等性质.计算中采用包含[100]{013}Σ=5对称倾斜晶界的超晶胞体，超晶胞含有80个W原子，该超晶胞的晶格常数为20.87 Å×9.97 Å×6.29 Å.结果显示，在W-GB中，单个H原子更倾向于占据间隙位置而不是替代位置.并且发现W-GB扮演俘获H原子的角色，在W-GB附近，H的扩散势垒降低，H原子一旦进入W-GB就容易被俘获而很难逃出.

图2　hcp结构金属1)面对称倾斜晶界图

(4)

4　结论

计算机能力的提高使得计算机模拟在材料研究领域成为一种非常重要的手段，材料计算机模拟节约实验成本，并且能预测一些实验无法观察到的实验现象.晶界(GB)是功能结构材料中一种典型的面缺陷，对材料的结构以及性能有重要的影响.本文主要介绍了计算机模拟在研究金属材料晶界缺陷的研究进展，详细讨论了分子动力学方法和第一性原理方法在研究晶界缺陷方面的最新进展.两种方法都被证实是一种有效的材料模拟工具，基于密度泛函理论的第一性原理方法在研究能量学性质方面结果更可靠些，然而分子动力学方法能够处理大体系的模拟.在今后的材料模拟研究中，可以尝试结合两种方法利用其各自的优势模拟研究晶界缺陷等性质.

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[责任编辑范藻]

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

四川省教育厅自然科学基金(14ZB0308);四川文理学院高级预研项目(2014YY001)；四川省大学生创新创业训练项目(201410644023)；四川文理学院教改项目(2013JY16)

范开敏(1978—)，男，山东日照人.副教授，博士，主要从事材料结构与性能与理论物理研究.

O469

A

1674-5248(2016)05-0044-04