不銹鋼滲氮表面耐腐蝕機(jī)理的第一性原理研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼因其具有穩(wěn)定的奧氏體組織、高塑性及韌性、無(wú)鐵磁性、良好的耐蝕性能和加工性能而被廣泛應(yīng)用于核電、航空航天等重要領(lǐng)域。然而，采用普通滲氮工藝改性?shī)W氏體不銹鋼時(shí)，容易析出氮化鉻硬化表面區(qū)域，并消耗掉大量的鉻元素，這個(gè)過(guò)程在提高基體表面硬度的同時(shí)卻降低了耐蝕性能。通過(guò)等離子體低溫(400℃)滲氮處理得到的含γN相成分的不銹鋼材料卻有著非常好的耐磨抗蝕復(fù)合性能。γN相的成分特點(diǎn)是具有內(nèi)應(yīng)力，含過(guò)飽和氮以及鉻氮短程有序分布。N原子是γN

2、相中含有的主要合金元素之一，并且N濃度是含γN相成分不銹鋼和普通不銹鋼的主要成分區(qū)別。N原子對(duì)金屬基體耐腐蝕性能的影響是至關(guān)重要的，也直接關(guān)系到我們對(duì)不銹鋼耐腐蝕機(jī)理本質(zhì)的理解。
　　本文采用第一性原理計(jì)算方法研究奧氏體不銹鋼中N原子及其濃度變化（無(wú)氮和放置1～3個(gè)氮原子時(shí)記為0N～3N）對(duì)耐腐蝕性能的影響。首先對(duì)比研究了不含氮Fe(001)面和含氮Fe(001)面上O原子在T（頂位）、H（穴位）、B（橋位）三個(gè)吸附點(diǎn)的吸附能和電

3、子結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)N原子加入之后，O原子在三個(gè)不同吸附點(diǎn)的吸附能都有明顯增加，例如吸附最穩(wěn)定的H位置的吸附能有之前的6.58 eV變?yōu)?1.38 eV;在電子結(jié)構(gòu)方面，對(duì)氧鐵鍵貢獻(xiàn)最大的O原子的p軌道在加氮前雜化區(qū)間為-6 eV～5eV，峰值為0.21 states/eV，加氮后雜化區(qū)間-6 eV～6 eV，峰值為2.30 states/eV，p軌道在雜化區(qū)間變化不大的情況下，峰值增加了十倍，軌道雜化增強(qiáng)，成鍵作用明顯。進(jìn)一步改變基體N原

4、子濃度發(fā)現(xiàn)，N原子濃度與O原子在基體表面的吸附能力不是單調(diào)關(guān)系。N原子在0N～1N濃度范圍內(nèi)變化時(shí)，基體對(duì)吸附的氧原子的影響處于一個(gè)上升區(qū)間，吸附能最大時(shí)為11.38 eV;N原子在1N～2N濃度范圍內(nèi)變化時(shí)，基體對(duì)吸附的氧原子的影響處于一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間，穩(wěn)定在11.38 eV和11.15 eV之間;N原子在2N～3N濃度范圍內(nèi)變化時(shí)，基體對(duì)吸附的氧原子的影響處于一個(gè)下降區(qū)間，最小值為8.99 eV。這個(gè)計(jì)算結(jié)果解釋了這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:氮原子