Cr在Fe—Cr合金中扩散过程的原子尺度模拟研究

潘龙 杨奔峰

摘 要：該文通过计算机模拟方法研究Cr在Fe-Cr合金中的扩散。用2BM（two band model）势函数模型计算了Fe的空位形成能以及Fe-Cr合金中Cr与空位V之间的结合能、空位迁移能。按照固体中杂质扩散的五频率模型，结合纯铁的分子动力学模拟，计算了合金中Cr原子的扩散系数。此外，在不同的温度和空位浓度条件下，对Fe-1%Cr合金直接进行了分子动力学模拟计算，获得了合金中Cr原子的扩散系数，结果与五频率模型计算结果较为一致。

关键字：Fe-Cr合金 扩散 分子动力学 五频率模型

中图分类号：TG131 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0241-01

铁素体/马氏体（Ferritic/Martensitic，F/M）钢具有优异的几何稳定性、抗辐照肿胀和优良的耐腐蚀性能等特性，可以作为未来聚变示范堆和第四代核反应堆候选结构材料之一[1]。研究表明，Cr的加入对材料的辐照性能产生了很大的影响[2]。F/M钢辐照过程中会产生富Cr的α相，导致材料脆化、应力腐蚀和化学腐蚀等性能变化[3]。目前α相的形核过程的动力学细节还不清楚，但是肯定应与空位扩散机制有关。核反应堆中材料受到中子辐照，产生大量空位。因此要想弄懂形核机理，必须了解合金中原子扩散过程。目前国内外关于Cr在Fe-Cr合金中扩散的研究尚未完善，该文采用计算机模拟方法来研究Cr在Fe-Cr合金中扩散过程的原子尺度的相关问题。首先通过原子扩散的五频率模型，计算了Cr在Fe-Cr稀合金中的扩散系数，再通过分子动力学模拟计算得到了Cr在Fe-Cr合金中的扩散系数，对比两者的结果，验证计算的准确性，从而为相场模拟、动力学蒙特卡罗模拟等研究工作提供关于扩散的基础数据。

1 势函数

常用的合金体系势函数模型是嵌入势EAM（embedded-atom method）[4]。对于Fe-Cr体系，Olsson等人发展了双带模型（two band model，2BM）势，该模型在EAM势基础上加入了s电子的贡献，体系中原子i能量表示为：

3 结语

该文通过原子模拟方法和2BM势函数，计算了Cr在Fe-Cr合金中扩散系数。首先通过五频率模型预测Cr原子的扩散系数，另外用MD模拟直接计算Cr原子扩散系数。研究表明，2BM势适用于Cr原子在Fe-Cr合金中扩散的研究，分子动力学和五频率模型两种方法的计算结果比较吻合，说明五频率模型计算结果较准确，可用于研究杂质在合金中的扩散。

参考文献

[1] 贺新福，杨文樊，胜论.FeCr合金幅照损伤的多尺度模拟[J].物理学报，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.