钢中碳化物析出及其界面行为的第一性原理研究

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作者：

熊辉辉

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摘要：

高强度低合金钢常添加少量的微合金元素,通过第二相颗粒的析出强化和晶粒细化以获得优异的强韧性。近年来,微合金钢中NbC、TiC等碳化物的析出及其细化晶粒行为已被广泛研究。然而,当前实验研究多侧重于宏观或介观尺度,而在微观原子/电子尺度上对碳化物析出行为的研究鲜有报道。第二相与钢基体界面上原子之间的相互作用是导致第二相析出及其强化的基础,而合金元素、Fe和C原子的大小、电子结构以及各元素空间点阵的差异是导致界面变化的根源,因而这些问题的研究对钢中碳化物的析出及其细化晶粒具有重要的意义。本文基于第一性原理计算结合实验的方法,首先研究了 Fe在碳氮化物析出相表面的吸附行为,以此阐明了 Fe在第二相颗粒表面异质形核初期的微观本质;通过分析NbC/TiN、NbC/TiC界面的性质,揭示了 NbC在TiN和TiC颗粒上异质形核机理。其次,研究了界面上不同的合金元素对铁素体在TiC和NbC析出相上异质形核潜力的影响。最后通过密度泛函理论模拟结合等温析出实验方法揭示了 Mo对铁素体中NbC析出和微观组织的影响,为实验上进一步改善碳化物的析出及其细化晶粒提供理论依据。得出的主要研究结果如下:(1)构建了 Fe 吸附于(A1-xmx)C(001)(A=Ti,Nb;m=Mo,V)以及A(C1-xNx)(001)的超晶胞模型,以此研究了Fe在碳氮化物析出相表面的吸附行为。结果表明,钢中TiC(或NbC)晶格中的Ti(或Nb)被Mo、V取代后形成的复合碳化物有利于Fe 的形核,且Fe在(Nb0.5Mo0.5)C(001)表面具有最大的吸附能和最短的Fe-C键长。Fe在Cr和Mn合金化(A0.5Moo.5)C表面的吸附能比其他3d过渡金属合金化的系统要大,这是由于表面Fe-Mo、Fe-Cr、Fe-Mn和Fe-C键的形成导致了 Fe配位数的增加,以及Fe,Cr和Mn原子在-2.5 eV~2.5 eV范围内的轨道杂化作用。对于A(C1-xNx)复合碳氮化物而言,具有CNNC结构的Ti(C0.5N0.5)和Nb(C0.5N0.5)具有较强的Fe吸附能力,且Nb(C0.5N0.5)表面的Mn和Ti(C0.5N0.5)表面的Co能显著促进Fe的形核。(2)对于NbC/TiN和NbC/TiC界面,分别考虑了拥有不同原子终端和不同堆垛顺序的界面结构影响,共对16种NbC/TiN和16种NbC/TiC界面性质进行了计算。结果表明,具有C-Ti键的NbC(111)/TiN(111)界面最稳定,含Nb-N键、Nb-Ti键和C-N键的界面稳定性依次减弱。对于NbC/TiN界面,在整个Ti和C化学势范围内,C/Ti终端的NbC(111)/TiN(111)的界面能最低,因而NbC在TiN析出物表面形核优先以[110](111)NbC//[110](111)TiN共格关系外延生长。对于NbC/TiC界面,在低的Nb化学势和高的C化学势范围内,NbC在TiC析出物表面形核优先以[110](111)NbC//[110](111)TiC共格关系外延生长;然而,在高的Nb化学势和低的C化学势范围内,NbC在TiC析出物表面形核优先以[001](100)NbC//[001](100)TiC共格关系外延生长,该理论预测和等温析出实验观察结果比较吻合。(3)构建并计算了不同合金元素合金化前后的ferrite/TiC和ferrite/NbC界面的性质,研究了合金元素对铁素体在TiC和NbC表面形核能力的影响。从能量最低的角度预测,合金元素Zr、V、Cr、Mn、Mo、W和Nb容易偏聚到ferrite/TiC界面,而Cr、V和Ti比较容易偏聚到ferrite/NbC界面。合金元素Cr、Mo、V均能提高α-Fe/TiC和α-Fe/NbC界面的结合强度和稳定性,即能促进αα-Fe的时效析出形核。界面间的原子作用机制分析表明,Cr、Mo、V能增强界面处的原子键合强度,进而降低界面能。(4)(Nb1^Mox)C与α-Fe之间的错配度随Mo原子占位浓度的增加而减小。DLP/NNBB模型和第一性原理计算的结果表明,Mo进入NbC后能够降低(Nb,Mo)C与铁素体的界面能以及(Nb,Mo)C形核的临界形核功,因而Mo能促进NbC形核。等温析出实验结果表明,随着Mo含量的升高,Nb-Mo钢的的晶粒尺寸更细且位错密度更高。随着保温时间的增加,Nb钢的晶粒会呈现一定的粗化现象,然而Mo的添加能够抑制晶粒的粗化。此外,Mo的添加不仅能够增大铁素体中纳米尺寸碳化物的析出量,还能够形成更为细小的(Nb,Mo)C析出相,且(Nb,Mo)C的抗粗化能力要强于NbC。

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关键词：

高强度低合金钢 碳化物 析出 界面 细化 第一性原理