高速钢中氮化物硬质相的力学性质与电子结构研究

发布时间：2017-10-09 09:11

  本文关键词：高速钢中氮化物硬质相的力学性质与电子结构研究

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【摘要】：高速钢具有高的硬度、耐磨性、高耐热性以及良好的强韧性配合,目前主要用来制造复杂的薄刃、耐冲击的金属切削刀具、高温轴承和冷挤压模具等方面。高速钢中的合金硬质相主要为碳化物、氮化物和硼化物,由于这些硬质相含量较少,采用实验方法难以制备,并且关于氮化物的研究也较少。因此,本论文通过第一性原理计算结合半经验理论,主要对高速钢中硬质相二元氮化物MN. M2N Mn-N以及三元碳氮化物M2CN硬质相进行了深入的理论研究,得到了这些氮化物的力学性质与电子结构,为设计和实验合成材料提供理论指导,获得了以下研究结果：高速钢中氮化物硬质相的结合能与形成焓的值是都是负的,表明这些氮化物具有高的热力学稳定性；通过应力-应变的方法获得了氮化物硬质相的弹性常数,根据弹性常数满足力学稳定性条件来判断其结构稳定性,结果表明除了Mn3N2化合物,其余氮化物都具有结构稳定性。利用得到的弹性常数通过计算获得了氮化物的体模量(B)、剪切模量(G)、杨氏模量(E)与泊松比,通过B/G或泊松比来说明氮化物的脆性与韧性。MN(M=Ti, V, Zr, Nb和Ta)氮化物的泊松比范围在0.13-0.17,表明其偏脆性：M2N(M=Cr, V, Nb和Ta)氮化物的泊松比范围在0.26-0.31,表明其韧性较好,体现了金属特性；Mn4N的泊松比0.16,表明其偏脆性；Mn2No.86和MnN的泊松比分别为0.36和0.27,表明其韧性较好。三元碳氮化物M2CN(M=Ti, V, Zr,Nb, Hf和Ta)同主族元素的剪切模量值与硬度值的相同大小顺序为：Ti2CNZr2CNHf2CN和V2CNNb2CNTa2CN。除了Ta2CN化合物,其余的三元化合物偏脆性。氮化物的力学各向异性表明其杨氏模量的各向异性要强于体模量的各向异性,并且三元体系中第ⅤB族金属元素所对应的碳氮化物杨氏模量的各向异性强于第ⅣB族金属元素所对应的碳氮化物。M2N、Mn-N, M2CN氮化物的电子态密度分析结果表明,上述氮化物的化学键是金属键与共价键的结合,靠近费米能级时发生pd杂化；Mulliken方法分析重叠布居也表明上述氮化物中既有金属键,又有共价键。
【关键词】：高速钢 氮化物 第一性原理 力学性质 电子结构
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 高速钢的发展现状11-13
• 1.2 高速钢中硬质相及其特点13-15
• 1.3 第一性原理15-16
• 1.4 本课题的选题背景与意义16-17
• 1.5 本课题研究的主要内容17-19
• 第二章 计算软件与方法19-23
• 2.1 稳定性19-20
• 2.2 电子态密度20
• 2.3 布居分析20
• 2.4 硬度20-21
• 2.5 弹性常数及模量21-22
• 2.6 德拜温度22-23
• 第三章 NaCl型金属氮化物MN(M=Ti,V,Zr,Nb和Ta)的力学性质23-33
• 3.1 计算模型与参数设置23-24
• 3.2 结合能与形成焓24-26
• 3.3 力学性质26-30
• 3.3.1 弹性常数26
• 3.3.2 力学模量26-29
• 3.3.3 度29-30
• 3.4 德拜温度30-31
• 3.5 本章小结31-33
• 第四章 金属氮化物M_2N(M=Cr,V,Nb和Ta)的力学性质与电子结构33-45
• 4.1 计算模型与参数设置33-36
• 4.2 稳定性36-37
• 4.3 电子态密度37-38
• 4.4 力学性质38-43
• 4.4.1 弹性常数38-39
• 4.4.2 力学模量39-40
• 4.4.3 力学的各向异性40-43
• 4.5 本章小结43-45
• 第五章 Mn-N体系化合物的力学性质和电子结构45-59
• 5.1 计算模型与参数设置45-48
• 5.2 稳定性48
• 5.3 电子结构48-51
• 5.3.1 电子态密度49-50
• 5.3.2 布居分析50-51
• 5.4 力学性质51-56
• 5.4.1 弹性常数51-52
• 5.4.2 力学模量及泊松比52-53
• 5.4.3 硬度53
• 5.4.4 力学的各向异性53-56
• 5.5 声速的各向异性56-57
• 5.6 本章小结57-59
• 第六章 三元体系M_2CN(M=Ti,V,Z r,Nb,Hf和Ta)的力学性质与电子结构59-75
• 6.1 计算模型与参数设置59-60
• 6.2 结合能与形成焓60-61
• 6.3 电子结构61-65
• 6.3.1 电子态密度61-63
• 6.3.2 布居分析63-65
• 6.4 力学性质65-71
• 6.4.1 弹性常数65
• 6.4.2 力学模量及泊松比65-66
• 6.4.3 硬度66-67
• 6.4.4 力学各向异性67-71
• 6.5 德拜温度71-72
• 6.6 本章小结72-75
• 第七章 总结与展望75-77
• 7.1 总结75-76
• 7.2 展望76-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-85
• 附录A 硕士期间发表的主要论文85-87
• 附录B 硕士期间获得的主要奖励87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 韩孝永;;铌、钒、钛在微合金钢中的作用[J];宽厚板;2006年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘洋赈;高速钢中若干不同化学计量比M-C化合物性质研究[D];昆明理工大学;2014年

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本文编号：999334