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C-N(-La)共渗层原子间作用第一原理计算与N扩散分子动力学模拟

作　者: 由园
导　师: 闫牧夫
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 稀土氮碳共渗合金元素相互作用第一性原理计算分子动力学模拟
分类号: TG156.8
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

渗碳、渗氮和氮碳共渗是常见的铁基合金表面强化工艺。引入碳（氮）原子后，材料表面的机械性能显著提高。在以上化学热处理过程中，添加稀土元素，能够减少处理时间，增加改性层厚度，改善表面层组织结构和性能。本文针对C N(La)共渗层中溶质原子的行为及其相互作用的研究较少并且不够深入的问题，采用第一性原理计算和分子动力学方法，展开了相关的基础理论研究，包括：无其它合金元素存在时，纯铁渗碳（氮）后，渗层中碳（氮）原子的行为；有合金元素存在时，钢渗碳（氮）后，渗层中碳（氮）原子与合金元素以及空位之间的相互作用；引入稀土元素（以镧原子为例）后，镧与其它溶质原子之间的相互作用；拟合第一性原理数据，构建铁氮势函数，对氮原子扩散进行分子动力学模拟。174PH钢500°C等离子体氮碳共渗4h后，无稀土添加的共渗层厚度为58.6μm，添加稀土后的共渗层厚度为66.3μm，共渗层增厚13.1%。共渗层300nm深度处镧原子3d电子的高分辨X射线光电子谱显示镧原子以原子态的形式存在。在体心立方结构铁中，碳（氮）原子优先占据八面体间隙位置，与最近邻铁原子成较弱的共价键，铁碳共价键强于铁氮共价键，近邻铁原子的态密度出现杂化峰，碳（氮）原子得电子，近邻铁原子失电子。两个间隙原子（C C、C N和N N）之间相互排斥，随着距离的增大排斥力减小。两个碳原子之间的排斥力最小，两个氮原子之间的排斥力最大，碳氮原子之间的排斥力介于中间。碳（氮）原子和空位之间相互吸引，碳（氮）原子优先占据与空位位置最近邻的八面体间隙位置。一个空位最多吸引三个碳原子，或两个氮原子，或一个碳原子和一个氮原子。碳（氮）原子与110方向自间隙原子相互排斥。外来间隙原子（碳和氮）与外来置换原子（铝、硅、钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜、铌和钼）之间相互排斥，排斥力随着距离的增加而减小，并逐渐趋向于零。置换原子与空位之间、以及间隙原子、置换原子和空位三者之间相互吸引。在空位附近，有利于碳（氮）原子和合金元素的聚集，进而形成碳（氮）化物，为合金碳（氮）化物形成的空位机制。当体心立方结构铁中只有一个置换式合金元素时，镧原子与其它置换原子之间存在巨大地差异，镧原子的置换能和弛豫和均为很大的正值。与碳（氮）原子之间的排斥力，镧原子显著大于其它置换原子。镧原子与铜原子之间相互吸引，与钴和镍原子之间的作用力接近零，与铝、硅、钛、钒、铬、锰、铌和钼原子之间相互排斥。与镧原子近邻时，所有其它置换原子的态密度曲线上出现杂化峰，是与镧原子的5p电子相互作用的结果。引入镧原子，且与碳（氮）原子第一和第二时，铁碳（氮）键集居数增加，共价键强度增加。采用嵌入原子方法构建了铁氮多体势。势函数的参数是通过拟合第一性原理数据来确定的，这些数据包括能量（溶解能和相互作用能）、氮原子和其它点缺陷之间的构形，以及氮原子附近铁原子的弛豫等。这一势函数成功地再现了氮原子在体心立方结构铁中的物理性质以及铁氮化合物γ′Fe4N和ε Fe2N的物理性质。应用Fe N势函数预测了氮原子在面心立方结构铁中的物理性质：八面体间隙位置为氮原子的稳定位置；氮原子和空位第一近邻时，相互吸引，能够形成稳定的构形；氮原子和自间隙原子之间同样能够形成稳定的构形；两个氮原子之间相互排斥；两个氮原子和一个空位之间相互吸引。基于铁氮多体势，采用分子动力学方法模拟了氮原子在体心立方结构铁中的扩散，能够更加直观地看到氮原子在不同的八面体间隙位置上振动和迁移。拟合Arrhenius方程，得到了氮原子的扩散常数和扩散激活能，与实验结果基本一致。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-30
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  12-13
  1.2 渗碳渗氮以及氮碳共渗研究现状  13-17
  1.3 稀土化学热处理发展趋势  17-20
  1.4 第一性原理在原子间相互作用方面的应用  20-26
  1.5 势函数及分子动力学研究进展  26-29
  1.6 本文的主要研究内容  29-30
第2章 C N( La)共渗试验与理论研究方法  30-36
  2.1 材料和试验方法  30-31
  2.2 17—4PH 钢稀土氮碳共渗层显微组织  31
  2.3 共渗层中镧原子的存在形式  31-32
  2.4 理论问题与研究方法  32-36
    2.4.1 第一性原理计算  32-34
    2.4.2 分子动力学方法  34-36
第3章碳（氮）原子在铁中的行为  36-82
  3.1 碳（氮）原子的占位和性质  36-45
  3.2 两个间隙原子之间的相互作用  45-53
  3.3 碳（氮）原子与一个空位的相互作用  53-77
  3.4 碳（氮）原子与两个空位的相互作用  77-78
  3.5 碳（氮）原子与自间隙原子的相互作用  78-79
  3.6 化学热处理过程中碳（氮）原子扩散的驱动力  79-80
  3.7 本章小结  80-82
第4章合金碳（氮）化物形成的微观机制  82-109
  4.1 碳（氮）原子与置换原子的相互作用  82-102
    4.1.1 相互作用能  83-90
    4.1.2 态密度  90-95
    4.1.3 键集居数和键长  95-98
    4.1.4 电子密度差分图  98-100
    4.1.5 磁矩  100-102
  4.2 碳（氮）原子与置换原子以及空位之间的相互作用  102-105
  4.3 合金碳（氮）化物形成的空位机制  105-107
  4.4 本章小结  107-109
第5章稀土共渗层中镧与其它溶质原子的相互作用  109-129
  5.1 溶质原子的置换性质  109-113
  5.2 镧与碳（氮）原子的相互作用  113-122
  5.3 镧与其它置换原子之间的相互作用  122-128
  5.4 本章小结  128-129
第6章 Fe N 多体势及 N 扩散分子动力学模拟  129-147
  6.1 势函数的构建  129-134
  6.2 Fe N 多体势对氮原子和铁氮化合物物理性质的表征  134-140
    6.2.1 氮原子在体心立方结构铁中的物理性质  134-137
    6.2.2 氮原子在面心立方结构铁中的物理性质  137-139
    6.2.3 铁氮化合物的物理性质  139-140
  6.3 氮原子扩散的分子动力学模拟  140-145
  6.4 本章小结  145-147
结论  147-149
参考文献  149-166
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  166-168
致谢  168-169
个人简历  169

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