C_N(_La)共滲層原子間作用第一原理計算與N擴散分子動力學模擬.pdf

1、滲碳、滲氮和氮碳共滲是常見的鐵基合金表面強化工藝。引入碳(氮)原子后,材料表面的機械性能顯著提高。在以上化學熱處理過程中,添加稀土元素,能夠減少處理時間,增加改性層厚度,改善表面層組織結構和性能。本文針對C-N(-La)共滲層中溶質原子的行為及其相互作用的研究較少并且不夠深入的問題,采用第一性原理計算和分子動力學方法,展開了相關的基礎理論研究,包括:無其它合金元素存在時,純鐵滲碳(氮)后,滲層中碳(氮)原子的行為;有合金元素存在時,鋼滲

2、碳(氮)后,滲層中碳(氮)原子與合金元素以及空位之間的相互作用;引入稀土元素(以鑭原子為例)后,鑭與其它溶質原子之間的相互作用;擬合第一性原理數據,構建鐵氮勢函數,對氮原子擴散進行分子動力學模擬。
　　174PH鋼500°C等離子體氮碳共滲4h后,無稀土添加的共滲層厚度為58.6μm,添加稀土后的共滲層厚度為66.3μm,共滲層增厚13.1％。共滲層300nm深度處鑭原子3d電子的高分辨X射線光電子譜顯示鑭原子以原子態(tài)的形式存在。

3、
　　在體心立方結構鐵中,碳(氮)原子優(yōu)先占據八面體間隙位置,與最近鄰鐵原子成較弱的共價鍵,鐵碳共價鍵強于鐵氮共價鍵,近鄰鐵原子的態(tài)密度出現雜化峰,碳(氮)原子得電子,近鄰鐵原子失電子。兩個間隙原子(C?C、C?N和N?N)之間相互排斥,隨著距離的增大排斥力減小。兩個碳原子之間的排斥力最小,兩個氮原子之間的排斥力最大,碳氮原子之間的排斥力介于中間。碳(氮)原子和空位之間相互吸引,碳(氮)原子優(yōu)先占據與空位位置最近鄰的八面體間隙位置

4、。一個空位最多吸引三個碳原子,或兩個氮原子,或一個碳原子和一個氮原子。碳(氮)原子與?110?方向自間隙原子相互排斥。
　　外來間隙原子(碳和氮)與外來置換原子(鋁、硅、鈦、釩、鉻、錳、鈷、鎳、銅、鈮和鉬)之間相互排斥,排斥力隨著距離的增加而減小,并逐漸趨向于零。置換原子與空位之間、以及間隙原子、置換原子和空位三者之間相互吸引。在空位附近,有利于碳(氮)原子和合金元素的聚集,進而形成碳(氮)化物,為合金碳(氮)化物形成的空位機制。

5、
　　當體心立方結構鐵中只有一個置換式合金元素時,鑭原子與其它置換原子之間存在巨大地差異,鑭原子的置換能和弛豫和均為很大的正值。與碳(氮)原子之間的排斥力,鑭原子顯著大于其它置換原子。鑭原子與銅原子之間相互吸引,與鈷和鎳原子之間的作用力接近零,與鋁、硅、鈦、釩、鉻、錳、鈮和鉬原子之間相互排斥。與鑭原子近鄰時,所有其它置換原子的態(tài)密度曲線上出現雜化峰,是與鑭原子的5p電子相互作用的結果。引入鑭原子,且與碳(氮)原子第一和第二時,鐵碳

6、(氮)鍵集居數增加,共價鍵強度增加。
　　采用嵌入原子方法構建了鐵氮多體勢。勢函數的參數是通過擬合第一性原理數據來確定的,這些數據包括能量(溶解能和相互作用能)、氮原子和其它點缺陷之間的構形,以及氮原子附近鐵原子的弛豫等。這一勢函數成功地再現了氮原子在體心立方結構鐵中的物理性質以及鐵氮化合物γ′?Fe4N和ε?Fe2N的物理性質。應用Fe?N勢函數預測了氮原子在面心立方結構鐵中的物理性質:八面體間隙位置為氮原子的穩(wěn)定位置;氮原子和