金属合金表面偏析现象的分子动力学模拟研究

论文摘要

表面科学是近年来迅速发展起来的学科,主要研究表面和与表面有关的过程。合金的表面偏析现象是其研究的热点问题之一。表面偏析现象将在很大程度上影响到合金的催化、氧化、腐蚀等性质,对它的认识和研究将有助于提高材料的物理化学性质,对实际的应用也有重要的指导意义。本文使用微正则系综分子动力学模拟方法,结合Johnson的嵌入原子方法(EAM),模拟了合金材料升温和降温过程,研究了合金表面偏析现象以及“退火”和“淬火”过程对表面偏析的不同的影响。我们得到的模拟结果主要有:(1)在二元合金FeNi19中,Fe在合金表面层强烈偏析,Ni在表面层贫乏;在次表面层及以下层中没有明显的偏析现象。不同降温速度的降温过程的对本合金系统的偏析情况影响不大。(2)在二元合金FeCo9中,Fe在合金表面层强烈偏析,在次表面层也存在相对较弱的偏析,Co在表面层和次表面层都有贫乏的现象出现。相对于“淬火”过程,“退火”过程可以使元素的偏析现象更明显。(3)在二元合金FeMo5中,Fe在合金表面层偏析,Mo在合金次表面层偏析。相对于“淬火”过程,“退火”后,元素的偏析现象更明显。(4)在三元合金FeNi19Co9中,Ni在表面层贫乏,而Co没有出现在表面层。在次表面层及以下没有偏析现象。相对于“淬火”过程,“退火”过程使Ni在表面层的含量更少,而对Co的偏析情况二者没有什么区别。(5)在三元合金FeCo9Mo5中, Co在表面层偏析,在次表面层及以下没有偏析现象;Mo在各个原子层都没有出现偏析现象。相对于“淬火”过程,“退火”过程只是使Co在表面层的偏析强度略有加强,对Mo的偏析情况没有什么影响。(6)在四元合金FeNi19Co9Mo5中, Ni在表面层贫乏;Co在各个原子层都没有出现偏析现象;Mo在表面层含量没有出现,而在次表面层偏析。“退火”过程和“淬火”过程对元素偏析情况的影响差别不大。上述结果中,除了(1)和(2)的研究有相关报道之外,其他系统的表面偏析并未有相关报道。尽管这些结果需要实验来进一步验证,但它们也为实验的研究提供了一定的理论指导,同时也有助于我们对合金和多元合金的表面性质有更加全面的了解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属合金表面偏析现象的研究现状
• 1.2.1 表面偏析的理论研究现状
• 1.2.2 表面偏析的实验研究现状
• 1.3 本文的研究意义及主要研究内容
• 2 分子动力学模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学方法简介
• 2.2.1 基本思想
• 2.2.2 运动方程及其数值求解方法
• 2.2.3 宏观物理量的计算
• 2.3 模拟程序结构
• 2.4 实际模拟步骤
• 3 原子间的相互作用势函数
• 3.1 引言
• 3.2 常用经验势函数模型
• 3.2.1 Lennard-Jones 势
• 3.2.2 Born-Mayer 势
• 3.2.3 Morse 势
• 3.2 原子嵌入方法
• 3.3.1 基本思想
• 3.3.2 Johnson 势函数
• 4 二元系统的表面偏析模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型和计算方法
• 4.3 FENI19 的表面偏析的模拟研究结果和讨论
• 4.4 FECO9 的表面偏析的模拟研究结果和讨论
• 4.5 FEMO5 的表面偏析的模拟研究结果和讨论
• 4.6 小结
• 5 三元系统的表面偏析模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型和计算方法
• 5.3 FENI19CO9 的表面偏析的模拟研究结果和讨论
• 5.3.1 “退火”和“淬火”之后Ni 元素在表面的偏析情况
• 5.3.2 “退火”和“淬火”之后Co 元素在表面的偏析情况
• 5.4 FECO9MO5 的表面偏析的模拟研究结果和讨论
• 5.4.1 “退火”和“淬火”之后Co 在表面的偏析情况
• 5.4.2 “退火”和“淬火”之后Mo 在表面的偏析情况
• 5.5 小结
• 6 四元系统的表面偏析模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 理论模型和计算方法
• 6.3 FENI19CO9MO5 的表面偏析的模拟研究结果和讨论
• 6.3.1 “退火”和“淬火”之后Ni 元素在表面的偏析情况
• 6.3.2 “退火”和“淬火”之后Co 元素在表面的偏析情况
• 6.3.3 “退火”和“淬火”之后Mo 元素在表面的偏析情况
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录