Mn、Si、C對α-Fe基合金電子特性和力學性能影響的第一性原理研究.pdf

1、鐵錳硅合金具有高的抗疲勞性能、高強度以及良好的形狀記憶效果，因而常用作彈簧鋼、高強度鋼以及形狀記憶合金。合金化是改善合金組織結(jié)構(gòu)以及相關(guān)力學性能的主要方式。Mn、Si、C等合金化元素對合金宏觀力學性能影響的作用機制已有很多實驗研究，而從原子層次研究這些合金化元素的微觀作用機理研究卻相對較少。本文基于密度泛函的第一性原理計算方法從原子、電子層次研究了含Mn、Si、C的α-Fe合金的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和電子特性，并對電子特性和力學性能進行了預(yù)測，

2、得出研究結(jié)果如下:
　　 (1) Mn、Si、C摻雜后得到合金體系均滿足熱力學穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性的形成條件，整個合金體系形成的難易程度由易到難順序為Fe15MnC＞Fe15Si＞ Fe14MnSi＞ Fe15SiC＞ Fe15Mn＞ Fe16C，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由強到弱順序為Fe15MnC＞ Fe16C＞ Fe15SiC＞ Fe15Si＞ Fe16＞ Fe14MnSi＞ Fe15Mn。
　　 (2)Mn、Si合金化元素對摻雜后

3、所得單晶合金體系彈性各向異性的影響是不同的，總體來看Fe14MnSi各向異性傾向最大，其次為Fe15Mn和Fe15Si，這一結(jié)果表明Si、Mn的復(fù)合固溶增大了各向異性的傾向，影響程度大于單一的Mn、Si的固溶效果。由Mn、Si形成的含碳αt-Fe單晶合金體系彈性各向異性普遍較低，Mn、Si的固溶對FeC合金各向異性的影響很小，具體來看Fe15MnC略大于Fe16C、Fe15SiC，表明Mn、Si對含碳體系的作用不明顯。
　　 (

4、3) Mn、Si、C合金化元素對摻雜后合金體系的楊氏模量E影響是不同的，較α-Fe的楊氏模量相比，含碳體系Fe16C、Fe15MnC和Fe15SiC的楊氏模量E值均降低，分別減小了6.61％、2.66％和6.96％，其中Fe15SiC具有最小的楊氏模量E;而使Fe-Mn-Si合金系Fe15Mn、Fe15Si和Fe14MnSi的楊氏模量E值增加，增加幅度分別為1.63％、0.71％和0.49％，其中Fe15Mn的楊氏模量值最大，F(xiàn)e15M

5、n電子結(jié)構(gòu)來看，Mn置換Fe后，Mn失去電子與鄰近的Fe原子結(jié)合能力增強。這幾種合金楊氏模量由大到小的順序為:Fe15Mn、Fe15Si、Fe14MnSi、Fe15MnC、Fe16C、Fe15SiC。
　　 (4) Mn、Si、C合金化元素對摻雜后合金體系的剪切模量G均有不同程度的影響，和α-Fe相比，影響規(guī)律與楊氏模量相近，含碳體系Fe16C、Fe15MnC和Fe15SiC的剪切模量G均降低，分別減小了7.82％、3.47％和

6、8.09％，其中Fe15SiC具有最小的剪切模量G;而使Fe-Mn-Si合金系Fe15Mn、Fe15Si和Fe14MnSi的剪切模量G增加，分別增加了0.7％、1.00％和2.28％，其中Fe14MnSi的剪切模量值最大，F(xiàn)e14MnSi電子結(jié)構(gòu)來看，Si、Mn的復(fù)合固溶，增強了Mn失電子和Si得電子的能力，有利于增強它們之間鍵合，態(tài)密度來看復(fù)合固溶后出現(xiàn)了新的較強的成鍵峰。由大到小的順序為:Fe14MnSi、Fe15Si、Fe15Mn

7、、Fe15MnC、Fe16C、Fe15SiC。
　　 (5) Mn、Si、C摻雜后得到合金體系的B/G的值由大到小順序為Fe16C＞Fe15SiC＞ Fe15Mn＞ Fe15MnC＞ Fe15Si＞ Fe14MnSi; Fe16C的B/G值最大且大于1.75，表明韌性最好，而Si、Mn的溶入，使合金體系的強度增大，尤其Si的作用最為明顯，如Fe14MnSi的B/G值小于1.75，使得合金體系呈現(xiàn)脆性，表明Si、Mn復(fù)合固溶后對強