不锈钢渗氮表面耐腐蚀机理的第一性原理研究

发布时间：2017-12-09 05:28

  本文关键词：不锈钢渗氮表面耐腐蚀机理的第一性原理研究

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【摘要】：奥氏体不锈钢因其具有稳定的奥氏体组织、高塑性及韧性、无铁磁性、良好的耐蚀性能和加工性能而被广泛应用于核电、航空航天等重要领域。然而,采用普通渗氮工艺改性奥氏体不锈钢时,容易析出氮化铬硬化表面区域,并消耗掉大量的铬元素,这个过程在提高基体表面硬度的同时却降低了耐蚀性能。通过等离子体低温(400-C)渗氮处理得到的含γN相成分的不锈钢材料却有着非常好的耐磨抗蚀复合性能。γN相的成分特点是具有内应力,含过饱和氮以及铬氮短程有序分布。N原子是γN相中含有的主要合金元素之一,并且N浓度是含γN相成分不锈钢和普通不锈钢的主要成分区别。N原子对金属基体耐腐蚀性能的影响是至关重要的,也直接关系到我们对不锈钢耐腐蚀机理本质的理解。为此,本论文采用第一性原理计算方法研究奥氏体不锈钢中N原子及其浓度变化(无氮和放置1～3个氮原子时记为ON～3N)对耐腐蚀性能的影响。首先对比研究了不含氮Fe(001)面和含氮Fe(001)面上O原子在T(顶位)、H(穴位)、B(桥位)三个吸附点的吸附能和电子结构,结果发现N原子加入之后,O原子在三个不同吸附点的吸附能都有明显增加,例如吸附最稳定的H位置的吸附能有之前的6.58 eV变为11.38 eV；在电子结构方面,对氧铁键贡献最大的O原子的p轨道在加氮前杂化区间为-6 eV～5eV,峰值为0.21 states/eV,加氮后杂化区间-6 eV～6 eV,峰值为2.30 states/eV,p轨道在杂化区间变化不大的情况下,峰值增加了十倍,轨道杂化增强,成键作用明显。进一步改变基体N原子浓度发现,N原子浓度与O原子在基体表面的吸附能力不是单调关系。N原子在ON～1N浓度范围内变化时,基体对吸附的氧原子的影响处于一个上升区间,吸附能最大时为11.38 eV；N原子在1N～2N浓度范围内变化时,基体对吸附的氧原子的影响处于一个稳定区间,稳定在11.38 eV和11.15 eV之间；N原子在2N～3N浓度范围内变化时,基体对吸附的氧原子的影响处于一个下降区间,最小值为8.99 eV。这个计算结果解释了这样的实验现象：氮原子浓度低于某一临界值时,金属基体对氧原子的吸附趋势明显,使得最终形成的钝化膜最外层成分中含有较多的氧化物；当氮浓度浓度超过某一临界值时,金属基体对氧原子的吸附趋势减弱,对其它离子如OH-的吸附能力增强,使得形成的钝化膜最外层成分中含有的氢氧化物较多。
【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】：TG174.4

【共引文献】

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本文编号：1269265