氮化物在钢中(α-Fe)分布及其稳定性机理的第一性原理研究

摘要

本文基于第一性原理方法研究了M（M=Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni和Mg）在α-Fe(N)体系中的结合能、电子结构、力学性能及N的扩散激活能。其主要研究内容和结果如下：
　　不管Fe15MN具有立方还是四方晶体结构，位于Fe同一周期左侧的Ti、V、Cr、Mn与N相邻时结构最稳定，位于Fe右侧的Co和Ni与N不相邻时结构最稳定。Ti与V的掺杂加强了晶胞稳定性，Mg的掺杂明显降低晶胞稳定。Fe15MN体系中，Fe原子失去电子，N得到电子。Ti、V、Cr与Mn的掺杂加强了N与周围金属的相互作用，Co、Ni与Mg掺杂不明显。
　　对 Fe15MN体系力学性能，不管是立方结构还是四方结构，Fe15MgN体系的剪切模量G、杨氏模量E和体模量B均减小，即氮化镁的掺杂均降低了α-Fe体系的力学性能。对具有立方结构的Fe15MN体系，除Fe15MgN体系，与纯α-Fe相比，剪切模量G和杨氏模量E均得到提高，体模量B减小，但其下降幅度很小，仅为0.3%～4.9%，即金属氮化物的掺杂降低了α-Fe的韧性。对具有四方结构的 Fe15MN体系，类似立方结构的 Fe15MN体系，除Fe15MgN体系，其剪切模量G和杨氏模量E均比纯α-Fe体系大，与Fe16N体系相比，剪切模量 G和杨氏模量 E保持不变或略为减小，即金属氮化物的加入使体系力学性能得到提高。
　　对于N的扩散，在α-Fe体系中，N迁移到E1和E2位置所需的能量相等，且为0.47 eV；对V和Mn掺杂的α-Fe(N)体系，N迁移到E（等效位置）所需的能量均大于N远离金属位置的，即，金属合金的掺杂利于固氮；对 Cr掺杂的α-Fe(N)体系，N无论远离还是靠近金属M时，其迁移所需能量均等于或小于0.47 eV，即，Cr的掺杂不利于固氮；对Co， Ni和Mg掺杂的α-Fe(N)体系，N在远离金属M的位置时最稳定，N迁移到临近M的位置所需的能量均大于 N远离 M位置所需迁移能，同理，金属 Co，Ni和 Mg的掺杂利于固氮，且难易程度顺序为Ni＞ Mg＞ Co。

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1 文献综述

1.1 引言

1.2 高氮钢简介

1.3 氮在钢中的作用

1.4 高氮钢的研究现状

1.5 钢的理论研究现状

1.6 课题研究的目的和意义

1.7 研究内容

2 理论计算方法

2.1 密度泛函理论（DFT）

2.2 晶体电子结构的计算方法

2.3 金属材料力学性能的计算方法

2.4 晶态固体扩散的间隙机制

2.5 VASP软件

3 金属掺杂的α-Fe(N)高氮钢电子结构的第一性原理研究

3.1 引言

3.2 计算模型与方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 金属掺杂的α-Fe(N)高氮钢力学性能的第一性原理研究

4.1 引言

4.2 模型和计算方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5N在α-Fe体系中迁移的第一性原理研究

5.1 引言

5.2 计算模型和方法

5.3 N在ɑ-Fe基中的迁移活化能及路径

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

6.3 创新点

参考文献

在学研究成果

致谢