含铌钢中NbC/α-Fe界面关系的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,分别计算了NbC/α-Fe界面模型的几何结构和电子结构,在此基础上,探讨了含铌微合金钢中NbC与α-Fe界面关系及作用机理。结果表明,NbC析出物趋向于以α-Fe的体心Fe原子作为键桥结合;对上述结合方式模型的态密度、电荷密度和重叠布居数的分析表明,界面主要通过NbC顶端的C原子和Nb原子与相邻的体心Fe原子以共价键方式结合,使NbC/α-Fe界面体系在(110)面的结合能力增强,而NbC本身作为硬质点存在,能够阻止滑移进行,最终起到沉淀强化的作用。     

微合金钢中Mo对α-Fe/NbC界面影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了钼元素掺杂前后α-Fe/NbC界面的黏附功、界面能、电子结构和成键特征等性质。考虑了2种不同原子的终端界面,并分析了6种Mo原子置换位置对α-Fe/NbC界面结构的影响。结果表明:C终端界面结构的稳定性比Nb终端界面的稳定性更强,而Mo原子进入界面NbC侧置换Nb原子形成的α-Fe/(Nb,Mo) C界面则表现出比未掺杂界面更好的稳定性。因此,Mo对NbC在铁素体中的形核有一定的促进作用。另外,6种界面的差分电荷密度、态密度和Milliken布居分析也解释了Mo能强化α-Fe/NbC界面的原因。     

稀土La对NbC在700 ℃等温析出行为的影响

对不同稀土La含量(0、0.0006%和0.0048%)的Nb微合金化试验钢进行1250 ℃固溶+700 ℃盐浴等温处理,研究了在铁素体区等温不同时间下,稀土对NbC析出行为的影响。结果表明,在钢中加入稀土La能够促进Nb在1250 ℃时的固溶,未溶第二相数量减少;700 ℃等温时,在析出开始阶段,稀土的促进作用相对较弱,随着等温时间的延长,稀土的促进作用逐渐显著。稀土La使NbC析出动力学曲线左移,加入0.0048%La使NbC析出开始时间由199 s缩短至125 s,结束时间由35 183 s缩短至29 128 s;等温时间为10^4.25 s时,与不加稀土时相比,添加稀土后试验钢在铁素体区700 ℃等温10^4.25 s后析出的NbC第二相尺寸小,不加稀土时NbC尺寸主要分布在10~20 nm,占42.8%,而添加0.0006%La和0.0048%La时,NbC尺寸主要分布在1~10 nm之间,分别占53.6%和64.3%,表明稀土La的添加使NbC尺寸得到了明显的细化。     

基于第一性原理研究奥氏体中铌对碳原子迁移行为的影响

为了从原子层面上了解钢中铌元素对奥氏体转变的作用,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了在奥氏体和铁素体中铌原子或碳原子分别占据间隙位置或者置换位置几种构型的体系总能量和结合能,由此判断铌及碳的固溶形式。结果表明,在奥氏体中,铌原子只能以置换固溶形式存在,碳原子可以以间隙固溶或者置换固溶的形式存在;在铁素体中,铌原子和碳原子均不能够固溶。进一步计算了在奥氏体中碳原子的迁移扩散能量,考察铌原子的存在对碳原子迁移的影响。在奥氏体中,以置换固溶形式存在的铌原子可导致碳原子的迁移激活能提高和系统能量出现较大波动,正是铌的这个效应使奥氏体向铁素体的转变温度降低,并且造成铁素体晶粒细化。     

铌钒氮微合金钢中碳氮化合物研究

将铌钒氮微合金钢进行热轧和空冷处理,透射电镜发现铁素体中弥散着细小的球形析出相,三维原子探针分析显示这些析出相为Nb、V、Mdo碳氮化物,进一步研究表明V、Nb、Mo原子主要依次位于碳氮化物的中心、次中心层和外层,Mn原子在基体与碳氮化物界面处偏聚.从碳氮化物的中心到外层依次主要为V的碳化物、Nb的碳氮化物、Mo的碳化物.     

铌钒氮微合金钢中碳氮化合物研究

将铌钒氮微合金钢进行热轧和空冷处理，透射电镜发现铁素体中弥散着细小的球形析出相，三维原子探针分析显示这些析出相为Nb、V、Mo碳氮化物，进一步研究表明V、Nb、Mo原子主要依次位于碳氮化物的中心、次中心层和外层，Mn原子在基体与碳氮化物界面处偏聚。从碳氮化物的中心到外层依次主要为V的碳化物、Nb的碳氮化物、Mo的碳化物。     

原位自生NbC陶瓷增强铁基复合材料研究

采用原位反应与两步法热处理结合方法,使铌丝提供的铌原子与灰口铸铁中石墨提供的碳原子发生原位自生反应,制备了NbC增强铁基复合材料。采用XRD、SEM、TEM等检测手段对复合材料的物相组成与组织结构进行分析,利用显微硬度计对复合材料进行硬度与显微压痕形貌及压痕裂纹分析。结果表明,通过原位反应成功制备了NbC增强铁基复合材料,该复合材料的主要物相组成为α-Fe、Nb、NbC、G。NbC/Fe陶瓷层的厚度约为242±3μm,NbC/Fe陶瓷层与Nb丝、铁基体之间呈现良好的冶金结合。NbC陶瓷颗粒形貌为标准的立方体,NbC/Fe陶瓷层的显微硬度是铁基体的3～4倍。     

金属Zr中O原子扩散的第一性原理研究

由于锆合金在冷却剂缺失事故中的行为与O在锆合金中的性质密切相关,采用第一性原理计算方法研究了O原子在金属Zr中的基本热力学稳定性和扩散性质。研究表明:O原子在hcp-Zr超胞中的八面体间隙、四面体间隙以及空位这3种位置的占位中以八面体间隙位最稳定;空位的存在会提高间隙O原子的稳定性,O原子处于空位的第三近邻位置时比第一和第二近邻位置更稳定; O原子在八面体间隙位之间扩散与在四面体间隙位之间扩散的难易程度接近。     

第一性原理研究镧对碳在γ-Fe中扩散的影响

基于第一性原理研究了C原子在有无稀土La的奥氏体晶胞中扩散.计算结果表明,稀土加入后,产生了晶格畸变,晶胞体积增大,总能量略微升高;C原子易于沿着奥氏体晶胞的非密排晶面和密排晶向扩散;La的加入降低了C原子在奥氏体晶胞中的扩散激活能,且随着La和C浓度的降低,La使扩散激活能降低的幅度减小.研究了添加稀土使碳扩散加快的原因.     

钛合金中原子迁移性质的第一原理计算

钛合金作为一种重要的航空材料,具有比强度高、耐蚀性好等优异性能,并具有一定的高温蠕变抗力。但是在更高温度下,有限的蠕变抗力限制了钛合金的进一步应用。研究表明,钛合金稳态蠕变过程蠕变激活能与合金的表观扩散激活能非常接近,说明原子的扩散与蠕变过程密切相关。采用第一性原理方法,计算了钛合金中常见的杂质及合金原子的迁移能垒。结果表明,对以空位机制扩散的合金原子,其在基面内迁移的能垒从高到低为Al、V、Ti、Sn、Ta、Mo、Nb、Zr,面间原子迁移由难到易为Al、Sn、V、Ti、Ta、Mo、Nb、Zr。以间隙机制迁移的Co、Fe、Ni迁移能垒较低,与实验观测到的这些原子为快扩散原子相符。     

镍基粉末合金中碳化物的析出行为及热力学分析

利用Miedema和Toop热力学模型计算粉末镍基合金中碳化物的生成热、活度系数及NbC、TiC碳化物的过剩Gibbs自由能,进一步求出合金中析出NbC、TiC碳化物的Gibbs自由能与温度的关系式,研究粉末镍基合金中碳化物的析出行为.结果表明,在实验温度范围内,合金中可析出NbC、TiC碳化物,并确定出合金中NbC、TiC碳化物相的析出温度分别为1353 K和1090 K,由于Ti、Nb晶体结构的相似性,碳化物中两原子可相互置换,并以(Ni,Ti)C型线性碳化物形式存在.     

钛合金中原子迁移性质的第一原理研究

钛合金作为一种重要的航空材料,具有比强度高,耐蚀性好等优异性能,并具有一定的高温蠕变抗力。但是在更高温度下,有限的蠕变抗力限制了钛合金的进一步应用。实验研究表明,钛合金稳态蠕变过程蠕变激活能与合金的表观扩散激活能非常接近,说明原子的扩散与蠕变过程密切相关。本文采用第一性原理的方法,计算了钛合金中常见的杂质及合金原子的迁移能垒。结果表明,对以空位机制扩散的合金原子,其在基面内迁移的能垒从高到低为Al、V、Ti、Sn、Ta、Mo、Nb、Zr,面间原子迁移由难到易为Al、Sn、V、Ti、Ta、Mo、Nb、Zr。以间隙机制迁移的Co、Fe、Ni迁移能垒较低,与实验观测到的这些原子为快扩散原子相符。     

空位对Cu/Sn无铅焊点界面元素扩散的影响

界面柯肯达尔空洞形成的过程伴随着空位的形成与扩散,对空位行为的研究有利于深入理解界面扩散和空洞形成过程. 运用分子动力学方法模拟Cu/Cu₃Sn界面上空位对扩散的影响,计算空位形成能、扩散势垒及空位扩散激活能. 结果表明,相同条件下含空位的模型发生扩散的几率要高于不含空位的模型. 另外,计算表明铜晶体的空位形成能大于Cu₃Sn晶体中铜空位的形成能;Cu₃Sn晶格中不同晶位的Cu空位(Cu1空位和Cu2空位)的形成能比较接近,但均小于锡的空位形成能. 此外,对Cu/Cu₃Sn界面的空位扩散势垒及空位扩散激活能的计算结果表明,Sn原子的空位扩散激活能高于Cu原子.     

固体中一种新发现的扩散机制—复合体扩散机制SCIEI

置换溶质原子可以以溶质原子-空位复合体形式扩散,这一扩散机制可以圆满的说明非平衡偏聚现象发生的规律,密排晶体中溶质原子的异常快速扩散现象,B在γ-Fe中快速扩散和晶界非平衡偏聚,溶质原子在Al表面空位坑中的聚集以及Si在Al晶界处析出等问题。     

20Cr11MoVNbNB钢回火过程的原子扩散控制

研究了淬火20CrllMoVNbNB钢在室温-750℃不同温度回火0.5—100h后的硬度相析出变化,析出相中合金元素含量变化以及回火激活能等,证明在低于400℃时,该钢的回火过程受C原子在α-Fe中扩散所控制;在高于400℃时,回火过程受合金元素Cr(以及Mo,V)在α-Fe中扩散所控制     

钨中溶质原子铬与空位的相互作用的第一性原理计算研究

钨铬(W-Cr)合金具有优异的物理性能,被认为是面向等离子体材料(PFM)中最有潜力的候选材料。而合金元素对辐照损伤演化过程的影响规律是钨合金优化设计的关键,深入研究溶质原子与辐照缺陷(如：空位)的相互作用有助于理解辐照损伤演化的微观物理机制。本文基于第一性原理方法,对W-Cr合金的溶质原子Cr占位、Cr与空位的相互作用及Cr含量对其影响规律进行了计算研究。发现相比于间隙位置,原子Cr更易占据置换位置,W中溶质Cr有偏聚的趋势；在辐照环境下,空位和自间隙原子均易与溶质原子Cr相结合,易加速W中富Cr相的析出；随Cr含量的增加,体系的形成能线性增加,因而结构越发不稳定。研究还发现超胞中单原子Cr的第二近邻空位的形成能最低,且低于W的本征空位形成能,因而溶质Cr与空位之间存在微弱的吸引；对于同一Cr含量,不同构型的空位形成能及空位和Cr的结合能均不同,且Cr含量越高,数值越分散；随着Cr含量的增加,平均空位形成能及空位与Cr的平均结合能均略有下降,因而溶质原子Cr附近空位更易形成,空位浓度更高,同样也表明溶质Cr与空位有微弱的吸引。这些结论将有助于深入理解W中溶质元素存在条件下辐照缺陷演化过程的微观物理机制。     

热处理工艺对403Nb钢组织与蠕变性能的影响

为扩大403Nb耐热钢的使用范围,比较研究了热连轧及热处理态403Nb钢的组织及蠕变性能。结果表明:403Nb钢在高温轧制时发生了动态回复及动态再结晶,组成相包括:α-Fe、Cr23C6及少量的NbC。其中,碳化物颗粒粗大,分布不均。经1050℃淬火后,获得了板条马氏体及残留的NbC。随着淬火温度的提高,晶粒有所长大,当温度达到1150℃时,出现较多沿晶界分布的δ铁素体。采用优化的热处理工艺,即1100℃淬火、650℃回火时,在原马氏体板条内及板条间弥散析出大量纳米级以Cr23C6为主的碳化物,此时,钢的使用温度及蠕变寿命可大幅度提高。文中阐述了钢组织的形成机制。     

纯铁γ-Fe到α-Fe和共析钢的珠光体转变与过渡相界铁原子个体有序位移机制

纯铁γ-Fe的α-Fe转变遵循过渡相界铁原子个体有序位移机制,这个机制本质上等同于切变而差异于扩散机制。凡是过冷含碳奥氏体的先共析铁素体析出,必然服从相界铁原子个体有序位移机制;这是固态相变第一法则;凡是无碳铁素体必然得自过冷无碳奥氏体,故过冷含碳奥氏体务必预先除碳,这是第二法则。珠光体分解实质上为过冷无碳奥氏体的珠光体铁素体层片的析出,等轴铁素体的析出亦然。在此不存在铁原子个体无序位移扩散机制。铁碳系统固态相变存在群体有序位移切变与过渡相界个体有序机制两类型机制,切变和扩散两类型的分类不具现实和理论意义,这是固态相变物理的科学发展。     

掺杂Bi促进L10-FePt有序转变的第一性原理研究

掺杂第三元素是促进FePt有序相变和降低有序转变温度的重要方法,元素Bi可大幅度降低有序转变温度,在低温下直接合成出高有序的FePt纳米粒子,但Bi促进FePt有序的机理和有序转变中的作用仍然是一个挑战。本文针对该问题,基于第一性原理密度泛函理论研究了Bi元素对FePt的晶格常数、形成能、差分电荷密度、饱和磁化强度和有序转变温度的影响。结果表明Bi原子取代Fe原子比取代Pt原子的替位形成能更低,Bi原子更容易取代Fe原子。Bi原子取代近邻位的替位形成能要比远邻位的替位形成能更低,Bi原子倾向于在FePt晶格内聚集。Fe原子是FePt体系磁性的主要来源,Bi原子对FePt的电子结构和磁性影响很小。掺杂Bi元素后FePt的有序转变温度明显降低,其中双掺杂情况FePt体系的有序转变温度最低为623.32K。空位机制在有序转变中起主导作用,Bi元素降低了FePt的空位形成能,提高体系中Fe原子和Pt原子的空位浓度并促进Fe原子和Pt原子的扩散和迁移,从而促进FePt有序相变。     

高钢级X100管线钢的组织和析出相

利用扫描电镜,透射电镜对X100管线钢的显微组织和析出相进行观察,结果表明:X100管线钢的显微组织为粒状贝氏体和贝氏体铁素体,粒状贝氏体分割了取向多元的贝氏体铁素体,细化了晶粒尺寸,提高了材料的强韧性.管线钢中析出相为单相析出和复合析出,存在于晶界上、板条间、基体内、位错线上及其周围.管线钢中存在两种典型的单相析出,一种为尺寸较大,形状规则的TiN析出,一种为尺寸细小,形状为圆形的NbC析出.复合析出为在高Ti/Nb比的碳氮化物上附着着低Ti/Nb比的碳氮化物或硫化亚铜析出,为应变诱导析出.在高温下形成的TiN析出可以阻止晶界迁移,抑制奥氏体晶粒长大,对强度影响不大.低温形成的NbC和复合析出为应变诱导析出,平均尺寸为26.5 nm,在析出强化中占主导地位.