等离子体渗氮过程中钢表面纳米晶层形成机理研究

摘要

在过去十年时间，本课题组开展了对不同Cr当量淬火钢进行低温等离子体氮化或氮碳共渗处理实验研究，如17-4PH、M50、2Cr13、304、316、M50NiL、38CrMoAl、40CrNi和30CrMnSi等，并且已经成功实现了表面层的纳米化，但是现有的纳米化的机制无法解释纳米化后出现低氮化合物的原因。
　　本文研究了Fe-Cr-N体系的调幅分解反应，旨在揭示等离子体渗氮后钢表面发生纳米化的机制，基于“伪二元”和双亚点阵两种热力学模型计算了Fe-Cr-N体系的吉布斯自由能。在“伪二元”模型得到Fe-Cr-N体系的吉布斯自由能-成分曲线出现了双势阱，说明Fe-Cr-N体系在一定条件下可以发生调幅分解。双亚点阵模型计算了不同Cr当量钢中含氮马氏体的吉布斯自由能与含氮量的关系，得到了不同Cr当量钢渗氮调幅分解的温度区间和最佳氮势。结合多组实验的TEM分析，本文提出了Cr当量钢渗氮纳米化的机制：在一定条件下，随着N含量的增加，α′N发生调幅分解反应，生成纳米尺寸的低氮化合物FeNz和高氮马氏体α′′N，从而使渗层组织细化。
　　通过第一性原理对不同Cr当量含氮马氏体和低氮化合物的结构进行了模拟，发现含氮马氏体和低氮化合物结构的总能都小于0，说明在0K下这些结构都可以存在。并且Cr当量为1/11和1/7的含氮马氏体结合能和形成能随含氮量的变化出现了双势阱趋势，进一步提出渗氮纳米化组织可能是调幅分解导致的微观机制。由于Fe-3d、Cr-3d和N-2p的杂化，在不同Cr当量含氮马氏体的费米能级附近处，都出现了赝能隙，从电子结构角度说明这些结构在0K下都是相对稳定的，为调幅分解在渗氮温度下发生提供了条件。低氮化合物的第一性原理计算从能量和电子结构两个方面都说明低氮化合物面心立方比体心立方结构更稳定一些，解释了在实验过程中检测到的低氮化合物都为面心立方结构的原因。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 钢渗氮研究现状

1.3 调幅分解的研究进展

1.4 热力学及第一性原理计算在材料中应用

1.5 材料纳米化研究进展

1.6 研究内容与目的

第2章 钢渗氮层的热力学与第一性原理计算方法

2.1 二元系热力学模型

2.2 三元热力学模型

2.3 第一性原理模拟

第3章 等离子体渗氮层调幅分解热力学计算

3.1 Fe-Cr(Mo)二元合金调幅分解

3.2 合金元素当量转化

3.3 Fe-Cr-N三元调幅分解的伪二元模型

3.4 双亚点阵模型

3.5 渗氮层晶粒纳米化机制

3.6 本章小结

第4章 等离子体渗氮层调幅分解第一性原理验证

4.1 渗氮生成相晶体结构模型

4.2 渗氮生成相晶体能量演化

4.3 渗氮生成相的电子结构

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢