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体心立方过渡金属点缺陷与刃位错的计算机模拟：原子尺度交互作用及性能调控

一、引言

（一）研究背景与意义

在材料科学领域，体心立方（BCC）过渡金属凭借其独特的物理和力学性能，在众多关键工程应用中占据着不可或缺的地位。像铁（Fe），作为最常见的BCC过渡金属，是钢铁材料的主要成分，广泛应用于建筑、机械制造、交通运输等行业，支撑着现代社会的基础设施建设；钼（Mo）具有高熔点、高强度和良好的高温性能，常被用于制造航空航天发动机部件、高温炉元件以及石油化工催化剂载体等，满足极端工作环境下的严苛要求；钒（V）则在钢铁中作为合金元素，能有效提高钢的强度、韧性和耐磨性，同时在储能电池领域也展现出巨大的应用潜力。

这些BCC过渡金属的性能，很大程度上取决于其内部微观结构中的缺陷，尤其是点缺陷和刃位错及其相互作用。点缺陷，包括空位和间隙原子，虽尺度微小，却对材料的电学、热学性能有着不可忽视的影响。空位的存在破坏了晶格的完整性，导致电子散射增加，进而提高材料的电阻率。研究表明，在纯铁中，空位浓度的增加会使电阻率显著上升。而间隙原子的引入，会引起晶格畸变，改变原子间的电子云分布，同样影响材料的电学性能。从热学角度看，点缺陷会干扰声子的传播，降低材料的热导率，同时改变材料的热膨胀系数。

刃位错作为晶体中的线缺陷，是材料塑性变形的核心载体。在外部应力作用下，刃位错通过滑移运动，使晶体发生塑性变形。刃位错的滑移过程涉及到原子的协同运动和能量变化，其运动的难易程度决定了材料的塑性和强度。当刃位错在晶体中滑移时，会与其他晶体缺陷相互作用，产生复杂的微观力学行为，深刻影响材料的宏观力学性能，如强度、韧性和断裂行为。在金属材料的拉伸过程中，刃位错的运动和交互作用会导致加工硬化现象，使材料的强度不断提高，但同时也会降低材料的塑性。

点缺陷与刃位错之间存在着强烈的交互作用，这种交互作用进一步复杂化了材料的性能表现。点缺陷可以通过与刃位错的相互作用，改变刃位错的运动方式和能量状态，从而影响材料的塑性变形和强度。间隙原子可能会聚集在刃位错周围，形成所谓的“柯氏气团”，阻碍刃位错的滑移，提高材料的强度，这就是固溶强化的基本原理之一。而刃位错在运动过程中，也可能会产生或吸收点缺陷，改变点缺陷的分布和浓度，进而影响材料的电学和热学性能。在高温变形过程中，刃位错的运动可以促进空位的扩散和聚集，导致材料的微观结构发生变化，影响其长期性能稳定性。

深入理解BCC过渡金属中点缺陷与刃位错的行为及其相互作用机制，对于优化材料性能、开发新型高性能合金具有至关重要的理论和实际意义。传统的实验手段在研究原子尺度的微观机制时存在一定的局限性，难以直接观察和精确测量点缺陷与刃位错的动态行为和相互作用过程。随着计算机技术的飞速发展，计算机模拟方法为研究材料微观结构和性能提供了强大的工具，能够在原子尺度上揭示材料内部的物理过程，弥补实验研究的不足，为材料的设计和优化提供理论指导。

（二）研究目标与方法

本研究旨在运用先进的计算机模拟技术，深入探究体心立方过渡金属中点缺陷与刃位错的行为及其相互作用机制。具体而言，选取具有代表性的BCC过渡金属，如Fe、Mo等，作为研究对象，基于改进分析型嵌入原子法（MAEAM）与分子动力学（MD）方法，构建高精度的原子模型，开展系统的模拟研究。

改进分析型嵌入原子法（MAEAM）是在传统嵌入原子法（EAM）的基础上发展而来，它通过对原子间相互作用势的精确描述，能够更准确地反映BCC过渡金属中原子的电子结构和相互作用特性。与其他原子间相互作用模型相比，MAEAM在处理过渡金属的复杂电子结构和多体相互作用方面具有显著优势，能够更真实地模拟材料的力学、热学和电学性能。在模拟Fe的晶格常数和弹性常数时，MAEAM计算结果与实验值的吻合度明显优于其他简单的原子间势模型，为准确模拟BCC过渡金属的微观结构和性能提供了可靠的理论基础。

分子动力学（MD）方法则是利用牛顿运动方程，对原子系统中每个原子的运动轨迹进行数值求解，从而模拟材料在不同条件下的动态行为。在本研究中，MD方法将用于模拟点缺陷的形成、迁移和聚集过程，以及刃位错的滑移、攀移和交互作用等动态过程。通过MD模拟，可以获得原子在不同时刻的位置、速度和受力情况，进而分析材料的微观结构演变和性能变化规律。在模拟刃位错与点缺陷的相互作用时，MD模拟能够直观地展示原子尺度上的动态过程，揭示相互作用的能量变化和微观机制。

通过上述研究方法，本研究期望达成以下具体目标：精确解析刃位错在BCC过渡金属中的弛豫结构和运动特性，包括刃位错的核心结构、位错线的弯曲和扭折、以及位错运动的临界应力等；深入研究点缺陷的形成能、迁移能垒和扩散系数，明确点缺陷在不同温度和应力条件下的行为规律；全面