鋼中氧化物與溶質(zhì)原子的相互作用及其對鐵素體形成的影響.pdf

1、非金屬夾雜物一直被認(rèn)為是鋼中的有害雜質(zhì)，但鋼中的溶質(zhì)原子如Mn、B、C等能和鋼中適當(dāng)種類、形態(tài)、大小和分布的氧化物夾雜如Ti2O3、ZrO2和Al2O3發(fā)生相互作用，通過置換、間隙、化學(xué)反應(yīng)等不同的途徑形成各種缺陷氧化物，部分缺陷氧化物周圍溶質(zhì)原子的含量會減少，降低了奧氏體穩(wěn)定性，有助于鐵素體的形成。本課題通過第一性原理計算得到各種缺陷氧化物的形成能，揭示出溶質(zhì)原子和氧化物相互作用的機理，深入探討鐵素體的形成機制及其對強韌性的影響規(guī)律。

2、
　　本課題采用雙重?zé)釅哼B接的方法制備試樣，分別研究了鋼中Mn、B和C三種溶質(zhì)原子與Ti2O3、ZrO2和Al2O3三種氧化物的相互作用。通過金相顯微鏡觀察鐵素體形成的效果，使用電子探針顯微分析(EPMA)定量分析氧化物周圍元素含量的變化，用第一性原理計算相關(guān)物質(zhì)的能量、磁性、態(tài)密度等性質(zhì)，達(dá)到實驗和理論計算相結(jié)合、相互印證的目的。結(jié)合理論研究成果，對于工業(yè)規(guī)模鋯鈦復(fù)合脫氧鋼和鋁脫氧鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等進(jìn)行了比較、討論和分

3、析，工業(yè)生產(chǎn)的鋼進(jìn)一步驗證了實驗室結(jié)果。
　　論文主要研究結(jié)論如下:
　　(1)第一性原理計算結(jié)果表明Ti2O3是陽離子空位氧化物，ZrO2是陰離子空位氧化物，而Al2O3不易形成空位氧化物。使用Gibbs2將第一性原理計算的結(jié)果擴展到高溫狀態(tài)下，高溫狀態(tài)下的計算結(jié)果和基態(tài)下的結(jié)果相差約5％。
　　(2)實驗表征和計算數(shù)據(jù)表明:Mn能作為摻雜原子進(jìn)入到Ti2O3和ZrO2的空位中，在這兩種氧化物的周圍形成了明顯的貧錳區(qū)

4、。通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，Mn離子與Zr離子半徑相近，使得Mn離子易于摻雜進(jìn)入ZrO2，晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。由于錳是奧氏體擴大化元素，因此貧錳區(qū)的存在，能降低鐵素體形成的阻力，促進(jìn)鐵素體的形成。
　　(3)第一性原理計算結(jié)果表明硼與氧化物摻雜形成能為正值，在奧氏體晶界偏聚的硼與氧化物（Ti2O3、 ZrO2和Al2O3）顆粒發(fā)生相互作用時，硼不會進(jìn)入到氧化物顆粒中。但是，活度較大的硼可以和陽離子空位的Ti2O3中富余的氧發(fā)生反應(yīng)，生成氧化

5、硼，陽離子空位氧化物向完整氧化物轉(zhuǎn)變。硼是奧氏體穩(wěn)定化元素，硼的存在會抑制鐵素體的形成，生成了氧化硼后將不再抑制鐵素體的形成。
　　(4)奧氏體中含碳量大于鐵素體的含碳量，第一性原理計算結(jié)果表明，對于僅僅含有碳的鋼而言，碳與氧化物（Ti2O3、ZrO2和Al2O3）顆粒發(fā)生相互作用時，碳不會進(jìn)入到氧化物顆粒中，而是和陽離子空位的Ti2O3中富余的氧發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化碳，陽離子空位氧化物向完整氧化物轉(zhuǎn)變。碳含量的降低，有助于奧氏體

6、向鐵素體的轉(zhuǎn)變。
　　(5)通過第一性原理計算的數(shù)據(jù)分析了Ti、Zr、Al的氧化物(MxOy)和Mn摻雜氧化物(MnMx-1Oy)的穩(wěn)定性、電性能和磁性能，結(jié)果表明:Ti2O3具有較多的陽離子空位，Ti3MnO6的形成能最低。態(tài)密度顯示Ti2O3有一定的導(dǎo)電性，而ZrO2和Al2O3為絕緣體。Mn摻雜氧化物中Mn的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致?lián)诫s氧化物的態(tài)密度不對稱，因此摻雜氧化物有磁矩。
　　(6)基于以上理論研究，采用Zr-T

7、i脫氧方式，研制了高強度焊接結(jié)構(gòu)鋼。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):鋼中形成細(xì)小彌散分布的Zr-Ti復(fù)合氧化物，為MnS的析出提供了形核質(zhì)點，引起MnS球化，并在鋼中均勻、細(xì)小、彌散分布，使鋼的組織和力學(xué)性能均勻。與傳統(tǒng)的Al脫氧相比，強度、延展性和低溫韌性改善，尤其是力學(xué)性能的穩(wěn)定性明顯提高。該結(jié)果驗證了以上理論計算結(jié)果，說明第一性原理計算對于研制高性能鋼鐵材料，特別是制定成分體系，具有較好的理論指導(dǎo)作用。
　　通過以上研究，基于溶質(zhì)原子與氧化物