Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物第一性原理研究

发布时间：2017-05-23 19:27

  本文关键词：Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物第一性原理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在化学热处理中,稀土由于催渗、改善渗层组织、提高渗层质量等优势而得到广泛应用。稀土铬钒共渗将单渗钒、渗铬优点综合,克服其缺点,在提高冷作模具使用寿命方面取得很大成功,其覆层相结构主要有Fe-C-V-Cr-Ce系化合物组成。但由于测试手段、实验复杂及稀土微量等制约,目前对稀土铬钒共渗的研究大多偏工艺方面,在覆层相结构理论规律方面尚缺乏深入认识,限制了其进一步发展。故本文利用第一性原理方法,对Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物的基本物性及结构稳定性进行理论研究,尝试分析各种化合物在稀土铬钒共渗覆层的存在可能性,对稀土铬钒共渗乃至整个稀土化学热处理领域的进一步探索、认识及改进,均有很好的理论指导价值。本文利用CASTEP模块,对Fe-C-V-Cr-Ce系中C-Ce、Fe-Ce、C-Cr、C-V四个体系化合物的晶格常数、电子结构(差分电荷密度、态密度)、热力学性质(德拜温度、生成焓、结合能)、力学性能(杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比、理论硬度、各向异性系数)等进行了计算分析,并与实验数据结合,对Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物进行了综合的相结构稳定性分析,主要研究结果如下:1.在C-Ce系CCe、C_2Ce、C_3Ce_2三种化合物中,C_3Ce_2的生成焓、结合能值最低,分别为-0.859 ev/atom、-6.999 ev/atom,德拜温度最高,为376 K,热力学稳定性最优;在电子结构方面,C_3Ce_2态密度图中成键电子杂化明显,共价性较强,结构稳定性优于CCe、C_2Ce,且C_3Ce_2理论硬度为9.905Gpa,远大于CCe、C_2Ce,力学稳定性较好,在C-Ce二元体系中最易生成。2.在Fe-Ce系CeFe_2、Ce Fe_5、Ce_2Fe_(17)三种化合物中,Ce_2Fe_(17)的生成焓(-0.440ev/atom)、结合能(-4.940 ev/atom)最低,德拜温度(403 K)最高,热力学稳定性较好;三种化合物均有离子键、金属键、共价键,且Ce_2Fe_(17)的共价键和离子键强度较高;Ce_2Fe_(17)各向异性系数为0.005,各向同性好,杨氏模量、剪切模量、理论硬度分别为266 Gpa、102 Gpa、8.984 Gpa,均比CeFe_5、CeFe_2大得多。综合分析,Ce_2Fe_(17)在Fe-Ce体系中最容易生成。3.在C-Cr系CCr、C_2Cr_3、C_3Cr_7、C_6Cr_23四种化合物中,CCr生成焓非负,为热力学不稳定相,C_2Cr_3的结合能(-9.144 ev/atom)、生成焓(-0.171 ev/atom)值最小,德拜温度(807 K)最大,热力学稳定性最强,同时其态密度图中Cr-3d和C-2p杂化最明显,结构稳定性也最好。此外,C_2Cr_3由于体积模量(324 Gpa)、杨氏模量(439Gpa)、理论硬度(16.368 Gpa)都比C_2Cr_3、C_3Cr_7大,力学性能也是最好的。因此,C_2Cr_3在C-Cr二元系化合物中最容易生成。4.在C-V二元系CV、aCV_2、bCV_2、C_3V_4、C_5V_6、C_7V_8六种化合物中,C5V_6的生成焓(-0.617 ev/atom)、结合能(-9.187 ev/atom)值最小,化合物形成能力、结构稳定性最强,C_7V_8、CV次之。CV、C_7V_8、C_5V_6的德拜温度、成键杂化程度、理论硬度、杨氏模量等很接近,都强于aCV_2、bCV_2、C_3V_4,在C-V体系中都比较容易生成,其德拜温度分别为921 K、923 K、858 K,理论硬度分别为23.1 Gpa、24.4 Gpa、25.9 Gpa,杨氏模量分别为485 Gpa、481 Gpa、424Gpa。5.对四个体系综合分析发现,C-Cr、C-V系化合物的热力学、力学稳定性普遍要强于C-Ce、Fe-Ce系,在Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物中更容易生成。结合XRD标准图谱和实验数据,进一步推测出C_2Cr_3、C_7V_8、C_5V_6也可能存在于稀土铬钒共渗覆层中。
【关键词】：稀土铬钒共渗 第一性原理 电子结构 相稳定性
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG141
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 稀土化学热处理的应用13-16
• 1.2.1 稀土渗碳及碳氮共渗13-14
• 1.2.2 稀土渗硼技术14-15
• 1.2.3 稀土渗钒技术15
• 1.2.4 稀土复合共渗技术15-16
• 1.2.5 稀土在化学热处理中的发展前景16
• 1.3 稀土影响化学热处理的机制16-17
• 1.3.1 活化催渗16-17
• 1.3.2 改善渗层组织、性能17
• 1.4 稀土在铬钒共渗中的应用17-19
• 1.4.1 铬钒共渗概述17-18
• 1.4.2 铬钒共渗研究现状18
• 1.4.3 稀土铬钒共渗18-19
• 1.5 计算材料科学19-21
• 1.5.1 计算材料学的发展19-20
• 1.5.2 第一性原理计算方法20-21
• 1.6 课题研究背景及主要内容21-24
• 2 第一性原理理论基础及计算方法24-34
• 2.1 引言24-25
• 2.2 Born-Oppenheimer近似（绝热近似）和Hartree-Fock近似25-26
• 2.3 密度泛函理论26-28
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理26-27
• 2.3.2Kohn-Sham方程27-28
• 2.4 交换-关联能函数近似28-29
• 2.4.1 局域密度近似（LDA）28-29
• 2.4.2 广义梯度近似（GGA）29
• 2.5 赝势平面波29-30
• 2.6 CASTEP软件包30-33
• 2.6.1 理论基础30
• 2.6.2 应用情况30-31
• 2.6.3 计算过程及任务简介31-33
• 2.7 本章小结33-34
• 3 C-Ce系化合物相结构稳定性的第一性原理研究34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 计算方法、模型及计算参数设置34-36
• 3.2.1 晶体结构模型34-35
• 3.2.2 计算参数35-36
• 3.3 计算结果与讨论36-42
• 3.3.1 晶格参数36-37
• 3.3.2 生成焓和结合能37-38
• 3.3.3 电子结构38-39
• 3.3.4 弹性性能39-41
• 3.3.5 德拜温度41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 4 Fe-Ce系化合物相结构稳定性的第一性原理研究44-52
• 4.1 引言44
• 4.2 计算方法、模型及参数设置44-45
• 4.2.1 晶体结构模型44-45
• 4.2.2 计算参数45
• 4.3 计算结果与讨论45-51
• 4.3.1 晶格参数45
• 4.3.2 生成焓和结合能45-46
• 4.3.3 电子结构46-49
• 4.3.4 弹性性能49-50
• 4.3.5 德拜温度50-51
• 4.4 结论51-52
• 5 C-Cr系化合物相结构稳定性的第一性原理研究52-60
• 5.1 引言52
• 5.2 计算模型、方法及参数设定52-54
• 5.2.1 晶体结构模型52-53
• 5.2.2 计算参数的选择53-54
• 5.3 计算结果与讨论54-59
• 5.3.1 晶格常数54-55
• 5.3.2 生成焓和结合能55
• 5.3.3 电子结构55-57
• 5.3.4 弹性性能57-58
• 5.3.5 德拜温度58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 6 C-V系化合物相结构稳定性的第一性原理计算研究60-70
• 6.1 引言60
• 6.2 计算模型、方法及参数设定60-61
• 6.2.1 晶体结构模型60-61
• 6.2.2 计算参数的选择61
• 6.3 计算结果与讨论61-67
• 6.3.1 晶格常数61-63
• 6.3.2 生成焓和结合能63-64
• 6.3.3 电子结构64-65
• 6.3.4 弹性性能65-67
• 6.3.5 德拜温度67
• 6.4 本章小结67-70
• 7 Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物第一性原理综合分析70-76
• 7.1 引言70
• 7.2 热力学稳定性70-71
• 7.3 力学性能71-72
• 7.4 理论实验对比72-74
• 7.5 本章小结74-76
• 8 结论与展望76-78
• 8.1 结论76-77
• 8.2 展望77-78
• 致谢78-80
• 参考文献80-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果86

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