Al-Cu合金层错能的原子尺度模拟计算(2)
铝铜合金中Cu含量约为3-5%，硬度和强度高，有较好的耐热性，但不耐腐蚀，可以在表面包覆保护层改善。铝铜合金的机械及物理性能见表1-2,。由于铝铜合金的良好性能，被广泛用于航空航天、船舶、汽车等领域。在表1-3列出了铝铜合金的常用种类、状态和典型用途。
表1-1 铝铜合金系列常见牌号及化学成分表
表1-2 铝铜合金的机械及物理性能(试样尺寸：铝板；注：铝板室温横向力学性能)
表1-3 铝铜合金的常用品种、状态和典型用途
1.1.3 层错能对Al-Cu合金的性能的影响
塑性加工是加工Al-Cu合金的常用方法，该加工方法利用塑性变形从而使材料成形。弹性变形在实际加工过程中相比于塑性变形要小得多，所以弹性变形通常忽略不计。
塑性变形一般是沿层错面产生，同时产生层错。由于位错的存在，在受力后晶体为了降低晶体的变形抗力，原子易沿位错线运动。因为产生了位错运动，会发生滑移或者产生孪晶。晶体发生层错时,体系所增加的能量就是层错能。在常温下fcc金属和合金中最典型的塑性变形方式是滑移，原子堆垛顺序的变化所形成的层错能的大小将影响位错的形核、运动等。实验表明层错能的大小会影响材料变形的难易程度，层错能越低，材料越容易发生塑性变形，层错能越高，则材料越不容易发生塑性变形。Zhao等[1]研究表明减小层错能将增强材料的强度和塑性。
1.2 研究现状
1.3 课题研究目的
层错能是影响材料塑性变形的重要参数,因此提高材料的塑性变形能力可以通过改变层错能,进而改善材料的强度和加工性能。因此，金属和合金的层错能的研究是目前金属强韧化研究的热门问题，对层错能的精确计算与研究是控制微观变形机制的重要条件。如何利用调整材料的层错能，改变金属塑性变形的优先机制，从而控制金属强韧性能，是联系理论知识与实际工程的关键。原子模拟技术是近些年来刚兴起的从原子分子层次研究材料微观结构与性能关系的方法。虽然已经有不少实验实例研究合金元素添加后层错能的变化，但是目前尚未清晰认识层错能变化的微观机理,通过对其原子层次的研究分析,将有助于更进一步了解层错形成的微观机理。本课题以Al-Cu合金研究对象，计算层错能，探讨Cu对Al层错能的影响。
2 Al-Cu势函数
2.1 势函数简介
因为原子间相互作用类型不同以及物质系统相当复杂，要得到精度较高而又满足各种不同体系和物质的一般性的势函数比较困难。因此，人们陆续发展经验和半经验的势函数以满足不同物质体系需要[16]。各种势函数模型主要有3种类型，主要包括：
1、对势模型，80年代以前经常采用的就是该类势函数，对势可以分为间断对势[17]和连续对势。对势的优点是简单, 可以较好地描述除金属和半导体外几乎所有无机化合物,但其缺点是由于必然导致Cauchy关系,所以对势实际上不能十分准确地描述晶体的弹性性质；
2、多体势，考虑多体相互作用而发展出的新的势函数。对于Al-Cu合金的势函数法计算，无方向性多体对泛函势更加适合。其中包括，1983年，Baskes和Daw提出的嵌入原子势[18]，1980年， Lang and Norskov [19]发展了有效介质理论，凝胶模型，Finn is-Sin-clair 多体势[20]等。这些理论中，前3种势有着一致的理论基础，所以，将对EAM 势作出详细的讲解。