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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)和性能。本文針對C-N(-La)共滲層中溶質(zhì)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(xué)方法,展開了相關(guān)的基礎(chǔ)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(zhì)原子之間的相互作用;擬合第一性原理數(shù)據(jù),構(gòu)建鐵氮勢函數(shù),對氮原子擴散進行分子動力學(xué)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(jié)構(gòu)鐵中,碳(氮)原子優(yōu)先占據(jù)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(xiàn)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(jù)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(dāng)體心立方結(jié)構(gòu)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(xiàn)雜化峰,是與鑭原子的5p電子相互作用的結(jié)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(shù)增加,共價鍵強度增加。
　　采用嵌入原子方法構(gòu)建了鐵氮多體勢。勢函數(shù)的參數(shù)是通過擬合第一性原理數(shù)據(jù)來確定的,這些數(shù)據(jù)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(gòu)形,以及氮原子附近鐵原子的弛豫等。這一勢函數(shù)成功地再現(xiàn)了氮原子在體心立方結(jié)構(gòu)鐵中的物理性質(zhì)以及鐵氮化合物γ′?Fe4N和ε?Fe2N的物理性質(zhì)。應(yīng)用Fe?N勢函數(shù)預(yù)測了氮原子在面心立方結(jié)構(gòu)鐵中的物理性質(zhì):八面體間隙位置為氮原子的穩(wěn)定位置;氮原子和