合金元素對(duì)γ-Fe表界面電化學(xué)性能影響機(jī)制的理論研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼因具有全面的和良好的綜合性能，在不銹鋼中一直扮演著最重要的角色，其生產(chǎn)量和使用量約占鋼總量及用量的70％，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今大部分所使用的奧氏體不銹鋼的成分是在最經(jīng)濟(jì)的18-8型不銹鋼的成分基礎(chǔ)上演變而來(lái)，以滿足不同應(yīng)用的不同性能要求。例如，加Mo改善點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕，降C或加Ti、Nb，減少晶間腐蝕傾向，加Ni和Cr改善高溫抗氧化性和強(qiáng)度，加Ni改善抗應(yīng)力腐蝕性能，加S、Se改善切削性和構(gòu)件表面精度等。可見(jiàn)

2、合金或雜質(zhì)元素會(huì)對(duì)奧氏體鋼的性能有很大影響，在其諸多眾多性質(zhì)中，耐蝕性和力學(xué)性能無(wú)疑是最重要的。
　　鑒于大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，本文將通過(guò)密度泛函理論計(jì)算方法，從原子層次研究合金元素對(duì)奧氏體不銹鋼表面電化學(xué)性能及雜質(zhì)原子引起的晶界界面特性變化的影響及作用機(jī)理，以期為設(shè)計(jì)新的高強(qiáng)度耐腐蝕奧氏體鋼提供理論指導(dǎo)。通過(guò)構(gòu)建γ-Fe(111)表面模型來(lái)模擬奧氏體鋼的表面，我們首先從間隙原子N，C對(duì)Cr在不銹鋼中的占位及穩(wěn)定性來(lái)研究N和C對(duì)γ-

3、Fe(111)表面耐蝕性的影響規(guī)律。計(jì)算表明，N和C沒(méi)有摻雜于γ-Fe(111)表面時(shí)，Cr會(huì)隨著其濃度的增加而向該表面最表層擴(kuò)散偏聚，而當(dāng)N或C摻雜于表面時(shí)，將有助于Cr向表面的擴(kuò)散偏聚；同時(shí)，N能降低Cr向表面擴(kuò)散偏聚時(shí)的能壘，從而促進(jìn)表面自鈍化過(guò)程，而C則提高了該能壘，抑制了表面自鈍化過(guò)程；Cr在向表面擴(kuò)散偏聚過(guò)程中會(huì)向間隙原子N或C靠近，它們會(huì)相互影響而削弱各自單獨(dú)存在時(shí)提高表面電化學(xué)穩(wěn)定性的效果；N與Cr結(jié)合而導(dǎo)致表面貧Cr及

4、降低表面電化學(xué)穩(wěn)定性的程度比C輕，因而合理的加入N可作為提高奧氏體不銹鋼綜合性能的有效方法。接著從常見(jiàn)合金元素在表面的偏聚行為及對(duì)O和H2O在表面吸附的影響方面，我們研究在表面鈍化膜被破壞的情形下，合金元素對(duì)抑制γ-Fe(111)表面的氧化性腐蝕及溶解性腐蝕的作用，以找到減緩表面腐蝕的可行方法。計(jì)算結(jié)果表明，所有的十種合金元素（Cr，Si，Cu，Al，Ni，Nb，Co，Mo，Mn，Ti）都有向表面偏聚的傾向，綜合考慮這些合金元素對(duì)表面O

5、和H2O的吸附及對(duì)整個(gè)吸附體系電化學(xué)穩(wěn)定性的影響，我們發(fā)現(xiàn)它們（尤其是Cr，Si，Cu）均能抑制該表面的氧化性腐蝕；除了Ti和Nb之外，它們（尤其是Cr，Mo，Si）均能緩解表面的溶解性腐蝕。
　　此外，通過(guò)構(gòu)建γ-FeΣ5[001](210)晶界模型，分析溶質(zhì)和雜質(zhì)原子（B，S）對(duì)晶界結(jié)合穩(wěn)定性的影響，我們研究了它們?cè)趯?duì)奧氏體鋼熱塑性的影響及作用機(jī)理，從而通過(guò)合金化來(lái)改善雜質(zhì)原子引起的對(duì)強(qiáng)韌性不利影響。研究發(fā)現(xiàn)，B和S均會(huì)在晶界

6、處偏聚，并且B可以強(qiáng)化晶界結(jié)合而S會(huì)降低晶界結(jié)合強(qiáng)度。合金元素Cr，Mn，Ni，Mo，Co均抑制B在晶界處的偏聚并削弱B加強(qiáng)晶界結(jié)合的作用。單獨(dú)的Mn或Ni的存在，尤其是Mn，會(huì)進(jìn)一步惡化S減弱晶界結(jié)合強(qiáng)度的程度，而Mo則可以削弱S對(duì)晶界結(jié)合的不利影響，但當(dāng)Mn或Ni與Cr一起作用時(shí)(即在Fe-Cr-Mn或Fe-Cr-Ni合金中)，則削弱了S降低晶界結(jié)合穩(wěn)定性的程度。雜質(zhì)或溶質(zhì)原子對(duì)晶界結(jié)合穩(wěn)定性的影響取決于晶界處原子之間的縱向引力與外