Ti、C、N在Fe基中合金化效應(yīng)的理論研究.pdf

1、鐵是地球上含量最多的元素之一，但純鐵因強(qiáng)度、硬度、延展性較差而通常無(wú)法直接使用于工程中。然而，在鐵中添加微量的合金元素就會(huì)對(duì)其力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。因此各種類的合金鋼被廣泛的使用。由于TiC和TiN具有高硬度、低摩擦系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，目前關(guān)于Ti，C，N合金元素對(duì)Fe基體性能的影響已經(jīng)被廣泛的研究。但Ti，C，N在Fe基中的微觀強(qiáng)化機(jī)理和微觀遷移機(jī)理尚不清楚，因此本文從原子、分子層次上研究了Ti，C，N在F

2、e基中的微觀作用機(jī)理。
　　 首先，本文基于第一性原理贗勢(shì)平面波方法研究了合金元素Ti，C，N對(duì)α-Fe基電子結(jié)構(gòu)及鍵合性質(zhì)的影響，計(jì)算了含Ti，C，N的Fe基固溶體的總能量、結(jié)合能和力學(xué)性能，分析了態(tài)密度、電荷聚居數(shù)、交疊聚居數(shù)和電荷密度，從理論上解釋了在Fe基中固溶Ti，C，N后其性能改善的原因。結(jié)果表明：隨著Fe基固溶體中Ti(0-12.5at％)，C(0-11.11at％)，N(0-11.11at％)含量增加，結(jié)合能略有

3、增加；Ti，C，N的固溶使各Fe基固溶體在費(fèi)米能級(jí)處強(qiáng)烈成鍵，結(jié)合能力增強(qiáng)，并且在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)贗能隙，表明固溶體中金屬鍵與共價(jià)鍵共存。隨著Ti，C，N含量的增加，C，N分別與Ti，F(xiàn)e之間的共價(jià)鍵結(jié)合強(qiáng)度加強(qiáng)，部分C，N原子會(huì)與Ti原子結(jié)合形成TiC，TiN顆粒，起到沉積相顆粒強(qiáng)韌化作用。
　　 其次，本文通過采用CASTEP模塊的LST/QST搜索過渡態(tài)方法，分別以Fe16(2×2×2)和Fe24(2×2×3)超胞作為Fe

4、基體，計(jì)算了C和N原子在純Fe和固溶Ti后Fe基中的遷移能壘。結(jié)果表明：當(dāng)N和C原子占位相同時(shí)，N原子的遷移能壘小于C原子的遷移能壘。C，N原子與Ti原子間距越小，遷移能壘越大；C，N原子與Ti間距越大，遷移能壘越小。當(dāng)Ti含量較小時(shí)，C，N原子的遷移能壘減小，當(dāng)Ti含量較大時(shí)，C，N原子的遷移能壘增大。
　　 再次，本文通過搭建含有Ti，C，N合金元素的Fe(100)表面，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，系統(tǒng)研究了Ti，C，N在Fe(10

5、0)表面中的遷移情況，并通過分析電子結(jié)構(gòu)闡述了Ti，C，N合金元素對(duì)Fe(100)表面的強(qiáng)化機(jī)理。結(jié)果表明，當(dāng)Ti，C或者N原子單獨(dú)向Fe(100)表面遷移時(shí)，其存在于表面第一層時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好；當(dāng)Ti和C同時(shí)向Fe(100)表面遷移時(shí)，Ti和C同時(shí)占據(jù)第一層時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好；當(dāng)Ti和N同時(shí)向Fe(100)表面遷移時(shí)，Ti和N同時(shí)占據(jù)第一層時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。
　　 最后，本文搭建了具有4層Fe和4層TiC(N)的界面模型Fe/T