晶界對摩擦焊過程中原子擴散以及缺陷演化的影響

孫權++王海鵬++倪冬

摘要：本文在對空位以及位錯對原子擴散的影響進行了研究的基礎上，分析晶界對摩擦焊過程中原子擴散以及缺陷演化的影響。

關鍵詞：晶界，原子擴散，微觀缺陷，影響

摩擦焊過程中原子發生了超擴散現象，這與其擴散條件是分不開的。在摩擦焊過程中，由于劇烈的塑性變形，材料中形成大量的微觀缺陷如空位以及位錯等，在對空位以及位錯對原子擴散的影響進行了研究的基礎上，分析晶界對摩擦焊過程中原子擴散以及缺陷演化的影響。

1晶界的構造

材料變形過程中組織結構發生劇烈變化，其直接影響到原子的擴散行為。晶界作為原子擴散的通道之一，對原子的擴散有著重要影響，因此下面對晶界的作用進行了分子動力學模擬。

材料選用的是面心立方結構Ti，為了構造晶界，我們采用將模型按照一定的方向旋轉的方法。初始構型如圖1（a）所示，然后將構型分為左右兩組，分別旋轉一定的方向，為滿足右手定則，將左側部分按x方向（-1 1 0），y方向（1 1 -2），z方向（-1 -1 -1）旋轉，而右側部分按x方向（1 -1 0），y方向（-1 -1 2），z方向（-1 -1 -1）旋轉，相對旋轉角度約為15度并由此構造了晶界，構型如圖1（b）所示，圖中不同的顏色代表不同的原子配位數。

2晶界對原子擴散的影響

基于之前構建的晶界模型，在1000K下研究晶界的演化過程，并對晶界附近三層原子的擴散行為進行研究，以此研究晶界處原子的擴散行為與完整晶體中原子擴散行為的差異。不同時刻晶界的演化過程如圖2所示。

在1000K條件下，通過對晶界處原子擴散行為的模擬結果可知，相對于空位以及位錯缺陷，晶界缺陷消失所需時間更長，約250PS才能完全消失；隨著擴散時間的增加，大尺寸的晶界逐漸發生彎曲，局部彌合，形成多個小尺寸的局部缺陷，并逐漸消失；靠近模型邊緣處晶界消失速度大于模型中部晶界消失的速度。為了研究晶界對原子的擴散行為的影響作用，下面對原子擴散的均方根位移進行計算，如圖3所示。

通過計算表明晶界處原子的擴散均方根位移曲線斜率約為0.8，而相同條件下完整晶體中原子的擴散均方根位移斜率約為0.05，即晶界處原子的擴散系數比完整晶體中原子擴散系數大一個數量級，表明晶界處的原子擴散速率遠遠大于完整晶體中原子的擴散速度。