● 摘要
摘 要
点缺陷是最基本也是最重要的一类晶格缺陷，材料中或多或少都存在一定浓度的点缺陷。点缺陷会直接影响金属的物理、化学和机械性能。另外，点缺陷的扩散是金属中原子的输运或扩散进程的主要机制。材料在生产使用中的许多现象及材料的某些性能都与扩散密切相关，如合金中的固态相变、冷变形金属的回复与再结晶、凝固、偏析、沉淀、粉末冶金的烧结、均匀化退火及氧化、蠕变等。因此，晶体点缺陷的研究一直是材料科学、冶金学、固体物理及固体化学研究的中心问题，希望通过研究它的特性，来改良材料性能或为材料设计提供理论指导。
本文应用改进分析型嵌入原子法（MAEAM）结合分子动力学模拟研究了铼（Re）、钌（Ru）、锆（Zr）、钇（Y）、钴（Co）和钪（Sc）六种HCP金属的扩散机制；从能量最小化观点详细地对镁（Mg）体内双空位的稳定构型、空位的择优迁移机制进行了讨论。计算了Mg（001）表面的空位形成能、迁移能和自扩散激活能，而且详尽分析了表面最上层和表面附近层上空位的择优迁移机制。得出以下结果：
1．计算了Re、Ru、Zr、Y、Co和Sc六种HCP金属中单空位的形成能以及最近邻、次近邻和第三近邻原子的自扩散激活能。三种迁移机制的能量曲线均是对称的，且能量极大值出现在迁移路径的中点；能量最小化原理表明这六种HCP金属中单空位的最可几迁移路径依次为最近邻和次近邻，而第三近邻原子的迁移非常困难。
2．空位在Mg体内时，四种可能的双空位构型中，1NN和2NN构型较3NN和4NN双空位易于形成。4NN双空位构型是不稳定的，1NN双空位与2NN双空位结合能比3NN结合能大这表明1NN与2NN构型的双空位是较稳定的。1NN与2NN双空位是即稳定又可能存在的构型。对1NN与2NN双空位迁移机理的分析表明，1NN和2NN构型双空位迁移的可几路径为要么保持1NN和2NN构型不变（在基平面内），要么1NN和2NN构型交替（基平面外）。
3．结合改进分析型嵌入原子法（MAEAM）和分子动力学（MD），对Mg（001）前六层表面上单空位的形成能和层内与层间自扩散的激活能进行了详尽的研究。单空位在第一层上的形成能最低（比体内值低的多），位于第二层时的形成能最高（略大于体内值），从第三层开始，形成能接等于体内空位形成能值。空位在层内迁移的扩散激活能也同空位形成能规律一样，空位在层内迁移时的扩散激活能在第一层最低，在第二层比体内值要稍微大一些，从第三层开始扩散激活能值与体内值相同。空位向上面原子层迁移的自扩散激活能随着空位由第三层向第一层靠近表面而减小；另一方面，空位向下面原子层迁移的自扩散激活能随着空位由第一层向第三层而增加。比较空位在层内、向上一层和向下一层迁移的自扩散激活能值的相对大小，我们发现对Mg（001）表面，第二层上的空位易于向上一层迁移，其余各层上的空位均易于在层内迁移。在第三层以下，计算的层内自扩散激活能、向上一层的迁移的自扩散激活能和向下一层的迁移的自扩散激活能 (=)分别是1.1258eV和1.1496eV，与体内的单空位基平面内和基平面外的扩散激活能是相同的。这意味着Mg（001）表面对空位的影响仅到表面下的第三层。
关键词： 点缺陷， 自扩散， 计算机模拟， 自扩散激活能