微量合金元素對(duì)釩基合金性能影響的理論模擬.pdf

1、釩基合金因其低活化性、高熱導(dǎo)率、優(yōu)于其他材料的力學(xué)性能和抗輻照性能，而被認(rèn)為是聚變反應(yīng)堆中第一壁的首選結(jié)構(gòu)材料，也因此引發(fā)了對(duì)釩基合金研究的熱潮。本文分別采用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)方法，從原子層面、微觀結(jié)構(gòu)角度探究合金元素原子在釩基合金中的分布及其對(duì)性能的影響，重點(diǎn)針對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的富Ti析出相進(jìn)行詳細(xì)研究，并從微觀角度分析富Ti析出相對(duì)釩基合金性能影響。
　　通過(guò)第一性原理及分子動(dòng)力學(xué)方法模擬表明，在釩基合金中，Cr原子在釩基合

2、金中任意位置均可穩(wěn)定存在，當(dāng)Cr原子位于晶界處時(shí)，可有效強(qiáng)化釩基合金的晶界強(qiáng)度。而Ti原子易于晶粒內(nèi)部偏析，并在晶粒內(nèi)部形成一定的富Ti區(qū)，且Ti原子的存在，削弱了釩基合金的彈性變形能力，使得釩基合金的韌性減小。第一性原理模擬表示，Y的添加可通過(guò)釘扎晶界而細(xì)化晶粒，通過(guò)彌散強(qiáng)化作用改善釩基合金的力學(xué)性能。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果構(gòu)建富Ti析出相的微觀結(jié)構(gòu)Ti(CNO)和TiO，并對(duì)其進(jìn)行一系列基本參數(shù)計(jì)算，從熱力學(xué)、力學(xué)角度證明所構(gòu)

3、建富Ti析出相的微觀結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在。又計(jì)算其基本力學(xué)參數(shù)，判斷所構(gòu)建富Ti相屬于硬脆相，其硬度遠(yuǎn)高于純V，且體現(xiàn)脆性材料特征。所得基本力學(xué)性質(zhì)符合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，這就進(jìn)一步證明所建結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也從微觀角度解釋了實(shí)驗(yàn)制備所得的釩基合金，因脆硬性富Ti析出相的存在大大降低了釩基合金的力學(xué)性能。對(duì)富Ti析出相與基體相所構(gòu)成的界面進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與純釩界面相比，亞穩(wěn)態(tài)下的富Ti析出相TiO與基體之間界面強(qiáng)度增加，但是析出相自身晶粒內(nèi)原子之間

4、鍵合削弱。而穩(wěn)態(tài)下的富Ti析出相Ti(CNO)與基體相之間界面上的O原子的存在，會(huì)明顯削弱界面凝聚力，使其比純釩界面更易發(fā)生斷裂，顯著降低其力學(xué)性能；但若界面上沒(méi)有O原子而以C、N原子截止時(shí)，界面強(qiáng)度顯著增加，因此，釩基合金中添加Y元素以吸O來(lái)改善由于富Ti析出相而降低的力學(xué)性能。
　　綜上所述：釩基合金中的Cr原子偏析于晶界時(shí)可視為晶界強(qiáng)化元素；Ti原子偏析于晶粒內(nèi)部，易與雜質(zhì)原子形成富Ti相析出，析出相的硬脆性及與基體界面上O