高溫連鑄過程鋼的性能演化及Fe基體相性能的第一性原理研究.pdf

1、鋼是以Fe為基體的多元合金體系，是應用最為廣泛的重要工程材料。高效的連鑄工藝是鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過程中重要的工藝技術，連鑄坯的性能和質量對鋼產(chǎn)品后續(xù)生產(chǎn)及最終產(chǎn)品質量均有著重要的影響。鋼在高溫下的性能直接依賴于不同熱、力履歷下的顯微組織狀態(tài)，并最終取決于具有不同電子結構的基本相性能。從電子結構計算出發(fā)認識高溫下性能演化的基本原理，并與顯微組織結構及性能的量化研究相結合，可以為基于量子力學計算的連鑄等高溫過程中鋼產(chǎn)品顯微組織、性能和質量調控以及高

2、品質鋼種的優(yōu)化設計奠定基礎。
　　基于此，論文首先從連鑄高溫過程出發(fā)，對復雜熱履歷下鑄坯性能、顯微組織演化規(guī)律進行了量化研究；并應用基于密度泛函理論的第一性原理方法，理論計算了鋼中Fe基體相的磁性、彈塑性性能和晶格膨脹等內稟屬性的高溫演化規(guī)律，深入討論了高溫性能演化的物理本質。主要研究結果可概括如下：
　　①研究分析了連鑄冷卻速率對鑄坯熱塑性、應力-應變曲線及峰值應力/應變等性能高溫演化規(guī)律的影響。通過對兩類鋼種不同冷卻速率

3、(100~600℃ min-1)下的熱塑性研究，建立了二冷低延性區(qū)溫度范圍與冷卻速率間的量化關系，即TAlnCRB。隨著冷卻速率的增大，鑄坯二冷低延性區(qū)同時向高溫及低溫區(qū)域擴展。但冷卻速率對高溫下鑄坯的應力-應變關系、峰值應力及峰值應變等基本性能的影響相對較小，晶界形變誘導或先共析鐵素體膜(DIF或PF)和第二相粒子作用下的微孔斷裂機制沒有發(fā)生明顯改變。Ae3(或Ar3)~TC附近，鑄坯的峰值應力與峰值應變隨溫度的演化規(guī)律發(fā)生明顯轉變，

4、分別與形變誘導鐵素體(或先共析鐵素體)的析出以及鐵素體中磁性結構的轉變密切相關。
　?、诮⒘藠W氏體相變過程的量化分析模型，討論了連鑄冷卻速率對相變過程的影響。以兩類鋼種較大冷卻速率范圍內(5~300℃ min-1)的線性熱膨脹測試為基礎，在獲得鑄坯不同冷卻條件下線性熱膨脹性能的同時，回歸分析建立了描述連續(xù)冷卻過程中奧氏體相變溫度(Ar3和 Ar1)、冷卻速率和平衡相變溫度三者關系的量化模型，即/)-(（C) RB C CAeAr

5、exp。并從奧氏體相變過程中各基本相的晶體結構差異出發(fā)，提出了基于鑄坯線性熱膨脹信息計算奧氏體相變過程中組織演化規(guī)律的方法。兩個鋼種顯微組織的量化研究表明，隨著冷卻速率的增大，α-鐵素體體積分數(shù)增加，固態(tài)相變速率加快，奧氏體相變溫度在較小冷卻速率(<100℃ min-1)范圍內下降明顯。上述奧氏體相變的量化研究，可以為鑄坯表面溫度、顯微組織的調控，進而實現(xiàn)鑄坯性能和質量的優(yōu)化控制奠定基礎。
　?、垩芯糠治隽诉B鑄回溫過程、回溫速率對

6、鑄坯性能的影響；結合第一性原理計算，認識了高溫性能的演化機理。連鑄回溫條件下，鑄坯經(jīng)歷了冷卻及回溫過程中的奧氏體α-鐵素體雙相變過程，促使α-鐵素體在Ae3附近就已存在。與此相對應，鑄坯二冷低延性區(qū)以及峰值應力、應變隨溫度變化的拐點均向高溫區(qū)移動了約50℃。但回溫速率(60~300℃ min-1)對鑄坯斷裂失效方式及其性能的高溫演化規(guī)律影響較小。不同磁-彈、體積-彈性及體積-磁性作用下的第一性原理計算表明，PMα-Fe中晶格膨脹和局域磁

7、矩對c’存在相互競爭的貢獻，導致α-Fe中c’和楊氏模量E隨溫度變化相對穩(wěn)定，這也是奧氏體-α-鐵素體相變過程中，峰值應力出現(xiàn)明顯轉折的本質原因。
　?、苡嬎阊芯苛穗娮幼孕凉q落對 PM Fe基體相彈性性能高溫演化規(guī)律的重要貢獻。應用 EMTO第一性原理計算方法，提出了簡單、準確的應用包含 Jacobian項的配分函數(shù)構建高溫順磁下電子自旋漲落分布的方法；并首次采用二次形式的平均磁矩 msf隨溫度的演化規(guī)律描述高溫下復雜的自旋漲落分

8、布，在 Fe基體相彈性常數(shù)計算中取得了與電子自旋分布相當?shù)慕Y果。與晶格熱膨脹相結合，在自旋漲落熱-磁作用下，準確計算了PM Fe基體相的單晶彈性常數(shù)c’和c44及其隨溫度的演化規(guī)律，并對比研究了電子自旋漲落對Fe基體相高溫下的磁性、彈性性能的影響。相較而言，PMγ-Fe中熱-磁作用較強，電子自旋漲落對彈性常數(shù)及其演化速率影響較大。特別是對于c’，電子自旋漲落使得γ-Fe的c’降低了約25％，并使其隨溫度的軟化速率減緩了約22%。

9、　?、輰崿F(xiàn)了PM Fe基體相線性熱膨脹性能第一性原理計算，并量化研究了熱-磁作用對晶格膨脹及相關高溫性能的影響。以第一性原理計算為基礎，提出了通過對包含熱-磁，磁-彈及晶格振動相互作用的Helmhotltz自由能的自洽計算理論預測晶格膨脹的方法。在量化討論PM Fe基體相熱-磁及體積-磁性作用下的平均局域磁矩msf、單晶彈性常數(shù)隨溫度和體積的演變規(guī)律基礎上，編程實現(xiàn)了PMα-Fe和γ-Fe高溫下線性熱膨脹性能及楊氏模量、剪切模量、泊松比