基于第一性原理研究重轨钢中铌对渗碳体结构和力学性能的影响

摘要

包头具有丰富的铌资源,铌微合金化作用在重轨钢的应用越来越成为人们研究的热点。我国的重轨钢为中高碳珠光体型钢轨,重轨钢中大量的渗碳体保证了钢轨具有高强度、硬度和耐磨性。珠光体型重轨钢渗碳体的存在是引起轨头表面裂纹出现的成因,含铌重轨钢中渗碳体结构和力学性能的影响缺乏微观层次的研究。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了渗碳体(Fe3C)的结构与力学性能。重点研究了Fe3C、(Fe11Nb8d)C4及(Fe11Nb4c)C4的晶体结构、稳定性、电子结构、力学性能和各向异性。另外,对比研究了渗碳体(Fe3C)和铁素体(α-Fe)的电子结构与力学性能差异性。探讨了α-Fe沿不同晶面弹性各向异性的影响规律。主要结论如下:
　　(1)我们的计算结果表明,(Fe11Nb8d)C4、(Fe11Nb4c)C4的结合能均高于Fe3C,说明铌元素可以存在于渗碳体中。电子结构分析表明渗碳体主要受到Fe-Fe金属键的作用,Fe-C共价键的作用影响不大。另外,铌的存在会使渗碳体的晶格发生畸变,使碳原子向相邻Fe原子位置靠近,加强了Fe-C键的结合。
　　(2)力学计算表明,Fe3C的理论维氏硬度为11.21GPa。铌原子置换渗碳体中的铁原子形成合金渗碳体,杨氏模量和剪切模量均得到了提高。渗碳体在{100}切变平面上的各向异性显著,(Fe11Nb8d)C4可以改善渗碳体的各向异性。计算出的Fe3C、(Fe11Nb4c)C4和(Fe11Nb8d)C4的德拜温度分别为480K、486K、501K,预测出材料的德拜温度与剪切模量存在线性关系。
　　(3)研究了渗碳体(Fe3C)和铁素体(α-Fe)的电子结构和力学性能。计算的结果发现两种结构的力学常数差异性不大,说明力学性能主要受到Fe-Fe金属键的作用,Fe-C共价键对材料力学性能没有太大作用,主要由晶体结构决定的。
　　(4)分析了α-Fe晶体沿不同晶面的各向异性,发现造成各向异性的主要原因是由晶面上的不同晶向造成的。通过建立各晶向弹性各向异性系数和对应的杨氏模量关系,预测出三种晶面各向异性变化程度:(112)面最好、(011)面次之和(001)面最差。

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1文献综述

1.1研究背景

1.2重轨钢的研究进展

1.3 铁碳相图及合金元素的影响

1.4 钢的过冷奥氏体转变及合金元素的影响

1.5 关于渗碳体的第一性原理研究

1.6 课题研究的目的与意义

1.7 课题研究的内容

2第一性原理基本理论

2.1 基本近似方法

2.2 密度泛函理论

2.3 VASP理论背景及简介

3铌对渗碳体晶体结构与稳定性的影响

3.1 渗碳体结构的建立

3.2 Fe、C、Nb单原子能量、晶格常数及结合能

3.3 渗碳体结构参数的优化

3.4 铌对渗碳体晶体结构与稳定性的影响

3.5 本章小结

4 铌对渗碳体力学性能的影响

4.1正交晶系弹性常数计算

4.1所示。

4.2 计算结果与分析

4.3本章小结

5铁素体与渗碳体力学差异及α-Fe晶体各向异性分析

5.1铁素体模型建立及计算参数设置

5.2铁素体与渗碳体电子结构分析

5.2铁素体与渗碳体弹性常数与力学性能比较

5.3α-Fe晶体沿若干晶面杨氏模量各向异性分析

5.4本章小结

结论

参考文献

索引

在学研究成果

致谢