高速钢中MC和M2C的稳定性和力学性能的第一性原理研究

摘要

高速钢是机械加工制造业的基础原材料之一，具有高硬度、高耐磨性及良好的红硬性等优点，广泛应用于高速切削工具、高载荷精密模具等重要领域。高速钢的优异性能与组织中存在的大量碳化物有关，因此，合金碳化物调控是高速钢性能调控的关键。现有高速钢实验设计研究，主要通过调整材料成分配比，改变碳化物结构及成分，优化碳化物特性，最终提升高速钢性能。但这一方法研发效率低、成本高，已不能满足现代材料设计的要求。本文采用第一性原理计算方法，研究Mo、W、V、Cr、Fe对MC和M2C碳化物的稳定性及力学性能影响规律，以及对MC和M2C与α-Fe界面稳定性影响规律，并通过一定的实验设计验证模拟计算结果的合理性。主要结果如下： (V,M)C碳化物的晶格常数计算结果表明，随着Cr和Fe原子数增加，碳化物晶格常数变小，而Mo和W原子数增加，晶格常数变大。结合能、弹性常数和态密度结果显示，Cr和Fe会降低碳化物的稳定性，W则会增加其稳定性，而Mo对稳定性影响不大。力学性质结果表明，随着W原子数增加，碳化物的杨氏模量先增加后减小，并在0.25处取到极值；而随着Mo、Cr、Fe原子数增加，碳化物的杨氏模量不断减小；另外随着W、Mo、Fe原子数增加，碳化物的硬度减小。弹性模量与硬度的计算结果与实验结果相吻合。 (Mo,M)2C碳化物的体积计算结果来看，随着V、Cr、Fe原子数增加，碳化物体积变小，而W原子数增加，碳化物体积无变化。结合能结果表明，Cr和Fe会降低M2C碳化物的热力学稳定性，而W则会增加其稳定性，V稍微增加稳定性。(Mo,M)2C的弹性模量结果显示，随着W原子数增加，三种结构的弹性模量变大，碳化物强度增大，这与实验结果相吻合；硬度结果表明，Fe原子会降低六方结构和正交结构M2C的硬度，V原子会增加六方结构M2C的硬度，但会降低正交结构M2C的硬度； 对三种不同形貌M2C的TEM衍射斑点和三种不同结构的模拟衍射斑点进行对比得出，M2纤维状为结构1，M2片状为结构2，M42纤维状为结构3。热分解量和相变温度结果表明，这三种不同形貌M2C碳化物热稳定性大小依次为：M42纤维状＞M2片状＞M2纤维状，另外随着Mo/Fe增大，M42纤维状M2C热稳定性增加。因此热稳定性的实验结果与结合能的计算结果得到相互验证。 MC/α-Fe的吸附功和界面能结果表明，Mo和Cr原子的引入，可能会增大MC/α-Fe界面的稳定性；Fe原子含量增多，可能会减小MC/α-Fe界面的稳定性；而W原子对MC/α-Fe界面的稳定性影响不大。M2C/α-Fe吸附功和界面能结果表明，Cr原子的引入，可能会增大M2C/α-Fe界面的稳定性；V、W和Fe原子含量增多，可能会减小M2C/α-Fe界面的稳定性。MC/α-Fe和M2C/α-Fe界面稳定性计算的结果与实验中不同温度回火下MC和M2C成分变化基本相符。

目录

第一个书签之前