氮对奥氏体不锈钢中团簇结构影响的计算机模拟研究

发布时间：2017-10-16 05:17

  本文关键词：氮对奥氏体不锈钢中团簇结构影响的计算机模拟研究

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【摘要】：经过渗氮处理,特别是低温等离子渗氮处理后的奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能与耐腐蚀抗氧化性能,在核工程的结构材料领域有着广阔的应用前景。在奥氏体不锈钢中,各种元素之间相互作用,经常会形成短程有序的团簇结构。氮作为一种重要的合金元素,通过对原子间相互作用的影响,会对奥氏体不锈钢中的团簇形成及其结构规律产生影响。然而,目前对其原子尺度结构的理解相对薄弱,制约了渗氮奥氏体不锈钢在核主泵关键材料上的应用。本论文采用计算机模拟的方法,利用2NN MEAM势函数,分别研究了奥氏体不锈钢中合金元素的含氮短程有序团簇的结构特征、FCC-Fe中空位团簇的长大规律、以及N对空位团簇的影响规律。首先,本课题通过拟合形成焓、晶格常数以及体积模量等实验数据,获得了Fe-Ni、Ni-N、Cr-N二元合金系统的2NN MEAM的势参量,进而得出了Fe-Ni-N、Fe-Cr-N三元系统的势参量以及Fe-Cr-Ni-N四元合金系统的2NN MEAM势参量,这为本课题乃至将来研究含氮奥氏体不锈钢提供了一个新的途径。其次,在Fe-Cr-Ni-N势参量的基础上研究发现,N原子在奥氏体不锈钢中的晶格中存在于八面体间隙位置,且彼此相互排斥,无法形成稳定的团簇结构,而Cr、Ni合金元素对N原子有束缚作用,使N原子团簇可以稳定存在于Cr或Ni原子周围,形成局部过饱和的短程有序结构。再次,从能量角度考察了奥氏体不锈钢中的(Fe,Cr,Ni)6N八面体团簇,发现除了Fe0Cr6Ni0N团簇结构,其它结构都可以稳定存在,且Fe5Cr1Ni0N和Fe5Cr0Ni1N结构中N原子的形成能最低。另外,通过研究FCC-Fe中最稳定空位团簇结构的组合规律,得出了空位团簇最稳定演化方式的两条规则,分别是以三空位塌陷形成的层错四面体为基本结构单元长大,以及每个结构单元的X、y、z方向的最近邻位置上不能同时出现相同的结构单元,并且提出了一种层错四面体的形成机制,即空位团簇在{111}晶面长大形成等边三角形的层错时,层错上方密排面发生级联塌陷形成层错。最后,通过研究氮对空位团簇长大的影响规律,发现空位与N原子相互吸引,容易形成空位-氮团簇,且间隙N原子围绕空位团簇排布,大量N原子的存在使团簇稳定性下降,并且提出了氮抑制空位团簇长大机制,即空位团簇周围大量N原子形成屏蔽层,一方面可以使空位团簇被钉住,而无法完成迁移,使其进一步的演化受到阻碍；另一方面,由于N原子之间的排斥作用,N屏蔽层之间互相排斥,导致空位团簇无法完成偏聚。这些计算结果将为进一步阐明含氮奥氏体不锈钢中原子尺度结构提供依据。
【关键词】：奥氏体不锈钢 短程有序结构 团簇
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.71
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 研究背景9
• 1.2 氮对不锈钢组织性能的影响9-10
• 1.3 奥氏体不锈钢渗氮技术10-11
• 1.3.1 气体渗氮技术10-11
• 1.3.2 等离子体渗氮技术11
• 1.4 奥氏体不锈钢表面改性层γN相11-14
• 1.4.1 奥氏体不锈钢γN相的特点11-12
• 1.4.2 奥氏体不锈钢γN相的制备12-14
• 1.5 含氮奥氏体不锈钢中有序结构及FCC铁基中空位有序结构研究现状14-15
• 1.6 本文研究意义15-16
• 1.7 本文研究内容16-18
• 2 理论计算方法18-28
• 2.1 嵌入原子法的发展19-24
• 2.1.1 嵌入原子法19
• 2.1.2 修正嵌入原子法19-21
• 2.1.3 次近邻修正嵌入原子法21-24
• 2.2 2NN MEAM势函数Fe-N势参量的拟合24-28
• 3 Fe-Cr-Ni-N合金体系势参量的拟合28-40
• 3.1 二元合金系统的势参量拟合28-38
• 3.1.1 Fe-Ni合金系统的势参量拟合28-33
• 3.1.2 Cr-N合金系统的势参量拟合33-36
• 3.1.3 Ni-N合金系统的势参量拟合36-38
• 3.2 三元及四元合金系统的势参量拟合38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 4 奥氏体不锈钢中合金元素短程有序结构特征40-46
• 4.1 Cr/Ni-N相互作用影响40-43
• 4.1.1 N-N相互作用40-41
• 4.1.2 Cr-N相互作用41-42
• 4.1.3 Ni-N相互作用42-43
• 4.2 奥氏体不锈钢中八面体团簇结构的讨论43-45
• 4.3 本章小结45-46
• 5 FCC铁中空位-氮的短程有序结构特征46-57
• 5.1 FCC铁中的空位团簇46-51
• 5.1.1 空位团簇的演变规律46-50
• 5.1.2 FCC铁中层错四面体的形成50-51
• 5.2 氮-空位相互作用影响51-55
• 5.2.1 N原子对空位团簇的影响规律51-55
• 5.2.2 氮抑制空位团簇长大机制的讨论55
• 5.3 本章小结55-57
• 结论57-58
• 参考文献58-63
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况63-64
• 致谢64-65

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 孙金全;崔洪芝;赫庆坤;刘赞;陶鹏;阎璐;;不锈钢低温渗氮/渗碳S相渗层技术的研究进展[J];热处理技术与装备;2013年06期

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 沈烈;奥氏体不锈钢形变/渗氮复合处理工艺及渗氮层结构与性能研究[D];大连海事大学;2013年

2 武小娟;不锈钢Ni-P化学镀层性能及动力学理论的研究[D];沈阳工业大学;2013年

3 陈宏涛;奥氏体不锈钢低温稀土氮碳共渗层相结构及其性质研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

4 张志鹏;氮表面改性奥氏体不锈钢的扩散动力学研究[D];大连理工大学;2014年

5 李广宇;等离子体源渗氮AISI 316奥氏体不锈钢工艺及其性能研究[D];大连理工大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 王光宏;高性能渗氮钢的摩擦磨损特性研究[D];华南理工大学;2013年

2 郑洪福;汽轮机阀杆离子渗氮层失效分析[D];青岛科技大学;2014年

3 刘敏;阀门用不锈钢螺纹副表面强化研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

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本文编号：1040825