铝铜合金较高的强度是析出强化的效果。从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过度相的过程称为脱溶或沉淀，是一种扩散型相变。当Al-Cu合金过饱和固溶体在时效过程中，随着Cu原子的扩散，会形成均匀、分散的富铜析出物（颗粒）。这些析出物（颗粒）在合金的塑性变形位错滑移过程中造成障碍，阻碍位错的进一步滑移，位错被强迫削减通过或者围绕析出物，从而产生强化效果。Cu的析出过程如图1.1，A代表Al，B代表Cu。如果将C0 成分的合金自单相α固溶体状态缓慢冷却至固溶度线（MN）以下温度（如T3）保温时，β相将从α相固溶体中脱溶析出，α相的成分将沿固溶度线变化为平衡浓度C1，这种转变可表示为α(C0)→α(C1)+β。β为平衡相。 

图 1.1 Cu时效与固溶过程示意图

Al-4%Cu合金室温平衡组织为α相固溶体和θ相（CuAl2）。该合金经固溶处理并淬火冷却获得过饱和α相固溶体后，加热到130℃进行时效，其脱溶顺序为：G.P.区→θ’’相→θ’相→θ相，即在平衡相θ出现之前，有三个过度脱溶物相继出现[1,2]。  

因此，对于沉淀反应的机理和动力学以及对Al-Cu二元合金微观结构的一个基本的了解是非常有必要的。

采用大规模的分子动力学模拟可以洞察Al-Cu合金时效强化的机制，如最近的一项研究观察到G.P.区的强化作用。为了能担负的起这样的原子和长时间模拟的“大合奏”，模拟通常采用经验公式类的相关作用势。虽然这种势与第一性原理计算的结果比不一定精确，但是它计算速度快，并且可以捕捉一些加强效果的主要特点[3]。这项工作的目的就是采用分子动力学模拟的方法从原子尺度上来模拟Al-Cu合金沉淀强化的过程，从而得到模型Al-Cu合金中Cu原子的扩散系数，并进一步拟合出Cu原子在合金中扩散系数随温度变化的关系方程，为进一步研究提供基础数据和初步结果，如G.P.区Cu原子团簇的形成机制等。 

1.2 扩散

    扩散是将一个初始不均一的浓度分布（如墨滴在水中）在不存在流动（没有搅拌）的情况下平滑化的过程。扩散由流体中粒子的分子运动引起。描述扩散的宏观定律是Fick定律，扩散粒子的通量j与该物种的浓度梯度的复数成正比

    （1）

式中比例常数D被称为扩散系数[4]。

在固体中，原子扩散的微观机制主要有以下几种[5-8]：   

  ①间隙扩散

在间隙固溶体中，间隙原子可以从一个间隙位置迁移到另一个相邻的空着的间隙位置，这称为直接间隙机制。比较小的原子，例如金属中的碳和氢就是通过这种机制进行扩散的。

而若是对于较大的原子进入间隙位置，就难以从一个间隙位置跳到另一个位置时，因为在原子跳跃时会产生比较大的瞬间畸变能。所以，人们提出了另一种的扩散方式——间接间隙机制。这种间隙机制里间隙原子把它最近的位于正常点阵处的原子挤入间隙，而自己直接占据该位置。

  ②置换扩散

在置换固溶体或纯金属中，原子的平衡位置在晶格格点上。若某一原子周围的格点上充满其他原子，该原子不能迁移；若周围格点有空位，则该原子可以与空位交换位置，从而迁移到新的平衡位置上。这称为置换扩散，也称为空位扩散。空位扩散机制与肯达尔效应有关。Cu原子在Al中的扩散属于置换扩散。 Cu原子在Al-Cu合金中的扩散行为原子尺度模拟(2):http://www.751com.cn/cailiao/lunwen_75274.html