[科普中国]-间隙原子

简介

如果在点阵的间隙位置挤进一个同类的原子，就形成了一个自间隙原子；如果外来的杂质原子挤进了点阵的间隙位置，就形成了间隙式杂质原子。间隙原子在离子晶体的导电和扩散中起着重要的作用，因为间隙杂质原子的存在会造成其附近的晶格畸变，整个晶体倾向膨胀。一般来说，间隙杂质原子在晶格间隙间迁移时所需的激活能比较小，因此扩散速率比较快。从电学性质上看，这种杂质具有一个共同点就是它们在禁带内具有深能级，影响电导率，成为复合中心或俘获中心。间隙子的热平衡浓度服从玻尔兹曼分布，浓度随着温度升高而增加1。

应用深冲冷轧钢，即IF钢（无间隙原子钢），是继沸腾钢、低碳铝镇静钢后，当今世界最新一代深冲性能最好的冷轧钢板。IF钢可分为r≥1.8的普通级IF钢和r≥2.0的高端级IF钢。攀钢高端级IF钢产品牌号为“PSC3”，实物质量达到国内同类产品先进水平，已经实现了对进口超深冲冷轧钢板的替代，完全能够满足用户冲制汽车、摩托车和家用电器的零部件，特别是其中难冲件的要求2。

金属中间隙原子的有效相互作用势间隙合金是溶质原子分布于金属原子点阵间隙而形成的固溶体。在间隙合金中，溶质原子尺寸通常大于金属原子点阵间隙，金属原子点阵会产生畸变，在间隙原子周围形成应力场，这种应变诱发的相互作用影响着合金的物理、化学等性能，如间隙原子的应力场增加位错运动阻力，使滑移难以进行，间隙合金的强度与硬度提高.不同间隙原子周围应力场的相互藕合，造成间隙原子间存在应变诱发相互作用。弹性相互作用与来自原子间化学相互作用一并，构成了原子间的有效相互作用，它决定合金的Debby频率、扩散系数、热导率等重要参数，并且与合金的有序化现象密切相关。建立了固溶体微观弹性理论，给出了化学相互作用势、Kanzaki力和动力学矩阵与间隙原子间相互作用势间的关系。利用固溶体微观弹性理论计算了Fe-C系中间隙C原子间的相互作用势，使用的嵌入原子势方法获得了含有两个C原子系统的化学相互作用势、Kanzaki力和动力学矩阵。利用点阵静力学分析方法，建立了简谐近似下包含应变诱发相互作用的置换合金的总能量模型，确定了置换原子间有效相互作用势，计算发现即使在只有6%原子体积差异的置换固溶体合金系统中，原子间的等效相互作用势仍受到置换合金成分的显著影响，原因在于Kanzaki力和动力学矩阵均受到合金浓度的影响。由于Khach-aturyans0l的固溶体微观弹性理论并没有给出间隙合金的总能量模型的关键系数，即化学相互作用势、Kanzaki力和动力学矩阵的具体形式，而且间隙合金中间隙原子体积与空位体积的差别通常大于6%，Kanzaki力和动力学矩阵同样应受到合金浓度的强影响。迄今为止，尚缺乏包含弹性相互作用的间隙原子间相互作用规律的研究报道，研究工作仅限于通过第一性原理统计计算，有限的间隙原子数量和大规模计算量限制了研究结果的合理性和准确性2。

总结1.利用Hillert亚点阵理论和点阵静力学分析方法，建立了简谐近似下包含弹性效应即应变诱发相互作用的间隙合金总能量模型，再依据点阵静力学方程的平衡条件，获得了间隙原子间有效相互作用势。

2.间隙合金间隙原子间的有效相互作用势取决于化学相互作用势、Kanzaki力与动力学矩阵祸合的应变诱发相互作用势，与原子种类、点阵参数及合金浓度相关。

3.随着He原子浓度增加，间隙亚点阵常数增大，化学相互作用势和应变诱发相互作用势均减小，造成有效相互作用势降低，有效相互作用主要受变诱发相互作用的影响3。