基于第一性原理研究重軌鋼中鈮對滲碳體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響.pdf

1、包頭具有豐富的鈮資源,鈮微合金化作用在重軌鋼的應(yīng)用越來越成為人們研究的熱點(diǎn)。我國的重軌鋼為中高碳珠光體型鋼軌,重軌鋼中大量的滲碳體保證了鋼軌具有高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。珠光體型重軌鋼滲碳體的存在是引起軌頭表面裂紋出現(xiàn)的成因,含鈮重軌鋼中滲碳體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響缺乏微觀層次的研究。本文基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了滲碳體(Fe3C)的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。重點(diǎn)研究了Fe3C、(Fe11Nb8d)C4及(Fe11Nb4c)C4的晶體結(jié)構(gòu)、

2、穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和各向異性。另外,對比研究了滲碳體(Fe3C)和鐵素體(α-Fe)的電子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能差異性。探討了α-Fe沿不同晶面彈性各向異性的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:
　　(1)我們的計(jì)算結(jié)果表明,(Fe11Nb8d)C4、(Fe11Nb4c)C4的結(jié)合能均高于Fe3C,說明鈮元素可以存在于滲碳體中。電子結(jié)構(gòu)分析表明滲碳體主要受到Fe-Fe金屬鍵的作用,Fe-C共價鍵的作用影響不大。另外,鈮的存在會使?jié)B碳體的晶格發(fā)

3、生畸變,使碳原子向相鄰Fe原子位置靠近,加強(qiáng)了Fe-C鍵的結(jié)合。
　　(2)力學(xué)計(jì)算表明,Fe3C的理論維氏硬度為11.21GPa。鈮原子置換滲碳體中的鐵原子形成合金滲碳體,楊氏模量和剪切模量均得到了提高。滲碳體在{100}切變平面上的各向異性顯著,(Fe11Nb8d)C4可以改善滲碳體的各向異性。計(jì)算出的Fe3C、(Fe11Nb4c)C4和(Fe11Nb8d)C4的德拜溫度分別為480K、486K、501K,預(yù)測出材料的德拜溫度

4、與剪切模量存在線性關(guān)系。
　　(3)研究了滲碳體(Fe3C)和鐵素體(α-Fe)的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)常數(shù)差異性不大,說明力學(xué)性能主要受到Fe-Fe金屬鍵的作用,Fe-C共價鍵對材料力學(xué)性能沒有太大作用,主要由晶體結(jié)構(gòu)決定的。
　　(4)分析了α-Fe晶體沿不同晶面的各向異性,發(fā)現(xiàn)造成各向異性的主要原因是由晶面上的不同晶向造成的。通過建立各晶向彈性各向異性系數(shù)和對應(yīng)的楊氏模量關(guān)系,預(yù)測出三種晶面各