B在B2-FeAl合金Σ5(310)界面擴(kuò)散的理論研究

藍(lán)春香 朱甜霞（南寧學(xué)院 通識教育學(xué)院，廣西 南寧 530000）

金屬間化合物是由金屬與金屬或金屬與非金屬之間按照不同的比例均勻混合而成的多元化合物，這類化合物的性能優(yōu)于其組元單質(zhì)的物理化學(xué)性能，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，是現(xiàn)今工藝生產(chǎn)過程中的一種新型結(jié)構(gòu)材料。但在工藝生產(chǎn)加工過程中，合金會不可避免的與碳、氫、硫等元素發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致合金本身質(zhì)量下降，而微量的硼（B）原子能顯著提高合金的塑性及耐磨性，因此對B原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面擴(kuò)散的理論研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1 模擬方法

該研究主要采用晶界模型如圖1，通過EAM 勢函數(shù)借助LAMMPS 對B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的吸附與擴(kuò)散在零溫零壓條件下進(jìn)行模擬計算。該晶界模型中共有27 個原子層，由1728 個原子組成，傾斜角設(shè)置為36.9°，x、y 軸為非邊界條件，z軸為邊界條件，在z軸添加B原子，以研究吸附原子在界面上的性質(zhì)，分析雜質(zhì)擴(kuò)散與遷移情況。

圖1 B2-FeAl合金Σ5(310)晶界模擬

2 界面能

界面能是指在界面單位面積內(nèi)對應(yīng)的自由能增量。通過上圖的晶界模擬，可以看出，晶界邊界的原子從常規(guī)晶格中脫離而出，從而使晶格發(fā)生形變，體系能量對應(yīng)增加，具體界面能可由以下表達(dá)式表示：

式中：Egb——界面總能量；

EB2-FeAL——FeAl化合物總能量；

A——界面面積

γgb——的量綱為J/m2

圖2反映了Σ5(310)界面能與晶界原子層數(shù)的關(guān)系，從圖中可以得出，當(dāng)距邊界的原子層數(shù)為13層時，Σ5(310)界面的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖2 Σ5(310)界面能與晶界原子層數(shù)的關(guān)系

3 界面上原子的擴(kuò)散機(jī)制

考慮到界面結(jié)構(gòu)相對較為特殊，因此，在研究雜質(zhì)原子在B2-FeAl合金Σ5(310)界面擴(kuò)散的過程中，分析了五種擴(kuò)散路徑，如圖3 所示，（a）（b）分別表示雜質(zhì)原子沿五種不同路徑擴(kuò)散至Σ5(310)界面的Al1為與Fe1位的情況，路徑1和路徑3為同種原子等間距擴(kuò)散，但與界面距離的角度來看，路徑1離界面更近。反觀路徑2和路徑4，這兩個路徑與路徑1和路徑3的擴(kuò)散方式相反，呈原子反位擴(kuò)散現(xiàn)象，從與界面距離的角度來看，路徑4離界面較近。在這幾種路徑中，路徑5表示的是雜質(zhì)原子在界面上的擴(kuò)散，且針對Al1位與Fe1位，根據(jù)周圍環(huán)境的不同分有兩種不同的擴(kuò)散方式。

圖3 雜質(zhì)原子沿不同路徑擴(kuò)散至Σ5(310)界面的Al1位與Fe1位的情況

4 B 原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的擴(kuò)散研究

參考上述分析中界面上原子的擴(kuò)散機(jī)制分析，采用相同方法分別討論B 原子沿不同路徑擴(kuò)散至Σ5(310)界面的Al1 位與Fe1位的情況。具體分析如下：

4.1 B原子擴(kuò)散至Σ5(310)界面的Al1位的情況分析

在分析實驗中，B原子是按照路徑1和路徑3這兩個路徑擴(kuò)散至Al1位的，圖4、圖5分別為B原子由路徑1和路徑3擴(kuò)散至Al1位的位移曲線，通過該曲線模擬可以看出，靠近界面的路徑的擴(kuò)散遷移能力較低，且在Al3 位擴(kuò)散至Al2 位的過程中遷移能降到最低，與路徑3 相比，路徑1 的B 原子擴(kuò)散至Al1 位的能力較低，說明化合物中存在B原子點缺陷。

圖4 B原子沿路徑1擴(kuò)散至Al1位的能量位移曲線 圖5 B原子沿路徑3擴(kuò)散至Al1位的能量位移曲線

依舊采用原方法研究B 原子沿路徑2 和路徑4 擴(kuò)散至Al1位的能量位移曲線，如圖6、圖7所示，從圖中可以看出，在B原子擴(kuò)散過程中大部分?jǐn)U散都是呈直線擴(kuò)散的態(tài)勢，只有路徑2中Fe3至Al1位和Al5至Al1位，路徑4中Al3至Al1位的擴(kuò)散是呈弧線擴(kuò)散狀態(tài)，在這三種弧線擴(kuò)散過程中，B原子都會先跳躍至近距離的Al2位，在借助Al2的緩沖跳躍到Al1位，因此，所對應(yīng)的曲線圖中會出現(xiàn)一個小峰。通過對路徑2與路徑4的擴(kuò)散途徑分析，得出B原子擴(kuò)散機(jī)制均以反位擴(kuò)散機(jī)制為主，且較容易由Fe位擴(kuò)散至Al位。

圖6 B原子沿路徑2擴(kuò)散至Al1位的能量位移曲線 圖7 B原子沿路徑4擴(kuò)散至Al1位的能量位移曲線

B 原子沿路徑5 的擴(kuò)散與前述幾種方法相同，位移曲線如圖8所示，在該路徑中出現(xiàn)了兩種擴(kuò)散現(xiàn)象，第一種出現(xiàn)了三個擴(kuò)散能壘，呈“山峰”形擴(kuò)散；第二種是弧形擴(kuò)散形式，該形式在擴(kuò)散過程中受相鄰的2 個Al2 原子的作用。研究表明，在這兩種擴(kuò)散形式中，第一種擴(kuò)散能力遠(yuǎn)弱于第二種，所以在Σ5(310)界面上，B原子沿路徑5主要以第一種擴(kuò)散形式為主。

圖8 B原子沿路徑5擴(kuò)散至Al1位的能力位移曲線

4.2 B原子擴(kuò)散至Σ5(310)界面的Fe1位的情況分析

依舊以5條路徑為研究方向，采用上述方式，分析B原子沿這5條路徑擴(kuò)散至Fe1位的情況。如圖9、圖10分別為B原子沿路徑1 和路徑3 擴(kuò)散至Fe1 位的位移曲線，對比圖9、圖10 的位移曲線，了解到B原子沿路徑1中Fe4至Fe3的擴(kuò)散遷移能力較高，F(xiàn)e2 至Fe1 的擴(kuò)散遷移能力相對較低；而在B 原子沿路徑3擴(kuò)散至Fe1中的整體遷移能力基本相同，這與周圍原子作用力有一定聯(lián)系，通過對比發(fā)現(xiàn)，B原子沿路徑1擴(kuò)散遷移的能力遠(yuǎn)低于沿路徑3擴(kuò)散遷移的能力。

圖9 B原子沿路徑1擴(kuò)散至Fe1的位移曲線 圖10 B原子沿路徑3擴(kuò)散至Fe1的位移曲線

如圖11、12，分別為B 原子沿路徑2 和路徑4 擴(kuò)散至Fe1 的位移曲線圖，分析方式依舊采用上述方法，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在這兩個路徑中，B 原子的擴(kuò)散遷移能力各不相同，路徑4中Fe3至Fe1 位擴(kuò)散過程中，位于Fe3 上的B 原子先跳躍至Al2 位，之后再從Al2 位借力躍至Fe1 位，該擴(kuò)散過程是以第一近鄰作為擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行的。路徑2 中所表示的擴(kuò)散機(jī)制與路徑4 相似，也是以第一近鄰為擴(kuò)散機(jī)制。

圖11 B原子沿路徑2擴(kuò)散至Fe1位的能量位移 圖12 B原子沿路徑4擴(kuò)散至Fe1位的能量位移圖

最后探討B(tài) 原子沿路徑5 擴(kuò)散至Fe1 位的遷移情況，如圖13 所示，在該擴(kuò)散過程中與B 原子沿路徑5 擴(kuò)散至Al1 位的遷移情況類似，都是有兩種形式的擴(kuò)散方式。第一種擴(kuò)散方式與擴(kuò)散至Al1 位的形式相反，所以位移曲線也相反，總體也是呈“山峰”式擴(kuò)散，在該擴(kuò)散過程中B原子共受三組原子的作用力。第二種擴(kuò)散方式為弧形，與第一種擴(kuò)散不同的是，第二種擴(kuò)散方式中B 原子只受臨近的兩個Al2 原子的作用力，擴(kuò)散能力遠(yuǎn)超第一種，但基于Σ5(310)界面上的擴(kuò)散，B 原子依舊以第一種擴(kuò)散方式為主。

圖13 B原子沿路徑5擴(kuò)散至Fe1位的能量位移曲線

5 結(jié)語

綜上，通過對B 原子在B2-FeAl 合金Σ5(310)界面的擴(kuò)散研究，得出結(jié)論：B原子在B2-FeAl合金Σ5(310)界面的取代中傾向占據(jù)AL2位，借助第一擴(kuò)散機(jī)制從Fe晶格位擴(kuò)散至Al晶格位。