Mn、Si、C對(duì)α-Fe基合金電子特性和力學(xué)性能影響的第一性原理研究.pdf

1、鐵錳硅合金具有高的抗疲勞性能、高強(qiáng)度以及良好的形狀記憶效果，因而常用作彈簧鋼、高強(qiáng)度鋼以及形狀記憶合金。合金化是改善合金組織結(jié)構(gòu)以及相關(guān)力學(xué)性能的主要方式。Mn、Si、C等合金化元素對(duì)合金宏觀力學(xué)性能影響的作用機(jī)制已有很多實(shí)驗(yàn)研究，而從原子層次研究這些合金化元素的微觀作用機(jī)理研究卻相對(duì)較少。本文基于密度泛函的第一性原理計(jì)算方法從原子、電子層次研究了含Mn、Si、C的α-Fe合金的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和電子特性，并對(duì)電子特性和力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，

2、得出研究結(jié)果如下:
　　 (1) Mn、Si、C摻雜后得到合金體系均滿足熱力學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性的形成條件，整個(gè)合金體系形成的難易程度由易到難順序?yàn)镕e15MnC＞Fe15Si＞ Fe14MnSi＞ Fe15SiC＞ Fe15Mn＞ Fe16C，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱順序?yàn)镕e15MnC＞ Fe16C＞ Fe15SiC＞ Fe15Si＞ Fe16＞ Fe14MnSi＞ Fe15Mn。
　　 (2)Mn、Si合金化元素對(duì)摻雜后

3、所得單晶合金體系彈性各向異性的影響是不同的，總體來(lái)看Fe14MnSi各向異性傾向最大，其次為Fe15Mn和Fe15Si，這一結(jié)果表明Si、Mn的復(fù)合固溶增大了各向異性的傾向，影響程度大于單一的Mn、Si的固溶效果。由Mn、Si形成的含碳αt-Fe單晶合金體系彈性各向異性普遍較低，Mn、Si的固溶對(duì)FeC合金各向異性的影響很小，具體來(lái)看Fe15MnC略大于Fe16C、Fe15SiC，表明Mn、Si對(duì)含碳體系的作用不明顯。
　　 (

4、3) Mn、Si、C合金化元素對(duì)摻雜后合金體系的楊氏模量E影響是不同的，較α-Fe的楊氏模量相比，含碳體系Fe16C、Fe15MnC和Fe15SiC的楊氏模量E值均降低，分別減小了6.61％、2.66％和6.96％，其中Fe15SiC具有最小的楊氏模量E;而使Fe-Mn-Si合金系Fe15Mn、Fe15Si和Fe14MnSi的楊氏模量E值增加，增加幅度分別為1.63％、0.71％和0.49％，其中Fe15Mn的楊氏模量值最大，F(xiàn)e15M

5、n電子結(jié)構(gòu)來(lái)看，Mn置換Fe后，Mn失去電子與鄰近的Fe原子結(jié)合能力增強(qiáng)。這幾種合金楊氏模量由大到小的順序?yàn)?Fe15Mn、Fe15Si、Fe14MnSi、Fe15MnC、Fe16C、Fe15SiC。
　　 (4) Mn、Si、C合金化元素對(duì)摻雜后合金體系的剪切模量G均有不同程度的影響，和α-Fe相比，影響規(guī)律與楊氏模量相近，含碳體系Fe16C、Fe15MnC和Fe15SiC的剪切模量G均降低，分別減小了7.82％、3.47％和

6、8.09％，其中Fe15SiC具有最小的剪切模量G;而使Fe-Mn-Si合金系Fe15Mn、Fe15Si和Fe14MnSi的剪切模量G增加，分別增加了0.7％、1.00％和2.28％，其中Fe14MnSi的剪切模量值最大，F(xiàn)e14MnSi電子結(jié)構(gòu)來(lái)看，Si、Mn的復(fù)合固溶，增強(qiáng)了Mn失電子和Si得電子的能力，有利于增強(qiáng)它們之間鍵合，態(tài)密度來(lái)看復(fù)合固溶后出現(xiàn)了新的較強(qiáng)的成鍵峰。由大到小的順序?yàn)?Fe14MnSi、Fe15Si、Fe15Mn

7、、Fe15MnC、Fe16C、Fe15SiC。
　　 (5) Mn、Si、C摻雜后得到合金體系的B/G的值由大到小順序?yàn)镕e16C＞Fe15SiC＞ Fe15Mn＞ Fe15MnC＞ Fe15Si＞ Fe14MnSi; Fe16C的B/G值最大且大于1.75，表明韌性最好，而Si、Mn的溶入，使合金體系的強(qiáng)度增大，尤其Si的作用最為明顯，如Fe14MnSi的B/G值小于1.75，使得合金體系呈現(xiàn)脆性，表明Si、Mn復(fù)合固溶后對(duì)強(qiáng)