奧氏體不銹鋼層錯(cuò)能的理論研究

1、學(xué)號(hào)：1205101032計(jì)算機(jī)在材料中的應(yīng)用 奧氏體不銹鋼層錯(cuò)能的理論研究姓名： 徐 敏 專業(yè)：材料科學(xué)與工程 二-六年-月摘要 層錯(cuò)能是材料塑性變形中的重要本征參數(shù)，對(duì)材料的脆性-韌性轉(zhuǎn)變有著重要影響。常溫下材料最常見的兩種塑性變形方式是位錯(cuò)滑移和孿生，位錯(cuò)的滑移和孿生導(dǎo)致了滑移帶和孿晶的產(chǎn)生。雖然滑移帶和孿晶引起晶格的畸變量較小，但是層錯(cuò)能的高低，尤其是本征層錯(cuò)能(isf)和非穩(wěn)定層錯(cuò)能(us)，卻影響著位錯(cuò)的形核、運(yùn)動(dòng)、束集、交滑移和分解。降低材料的層錯(cuò)能有利于進(jìn)-步激發(fā)位錯(cuò)的滑移和孿生，從而改善材料的力學(xué)性能。N和Ni是奧氏體不銹鋼中主要的合金化元素，對(duì)不銹鋼的組織、性能有著重要影響

2、。盡管實(shí)驗(yàn)上己有不銹鋼isf的值，但是測(cè)量過程對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求很高，并且只能獲得isf，且實(shí)驗(yàn)測(cè)得的isf偏差較大。而計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展剛好彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)上的不足，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于A1、Fe、Cu、Ni等材料的層錯(cuò)能的研究。本論文采用基于密度泛函理論的第-性原理，從原子層次上研究了Ni對(duì)奧氏體不銹鋼層錯(cuò)能的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下: （1）研究了Ni對(duì)奧氏體不銹鋼穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明Ni固溶后都能夠提高奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性，Ni的占位對(duì)于奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性影響不明顯。（2） 從電子層次上探索了Ni對(duì)于奧氏體不銹鋼的影響:Ni固溶于奧氏體不銹鋼后改善了Fe和Cr原子周圍的電荷分布，加強(qiáng)了Cr原子和

3、Fe原子之間的成鍵能力 （3）研究了Ni對(duì)奧氏體不銹鋼us、isf的影響:Ni含量的增加，提高了位錯(cuò)滑移所需克服的勢(shì)壘，增加了位錯(cuò)滑移的難度關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼，層錯(cuò)能，鎳，第-性原理1.Cr在奧氏體不銹鋼中的作用Cr是奧氏體不銹鋼中最主要的合金元素，奧氏體不銹鋼耐蝕性的獲得主要是由于Cr促進(jìn)了鋼的鈍化并使鋼保持穩(wěn)定鈍態(tài)的結(jié)果，但是不銹鋼中的Cr含量高于12%時(shí)其耐腐蝕能力才比較優(yōu)越，因此不銹鋼中的Cr含量都大于12%。C:的耐蝕性主要表現(xiàn)為:Cr提高鋼的耐氧化性介質(zhì)和酸性氯化物介質(zhì)的性能，在Ni以及Mo和Cu復(fù)合作用下Cr提高不銹鋼耐某些還原性介質(zhì)如有機(jī)酸，尿素和堿介質(zhì)的腐蝕性能；Cr還提高

4、鋼耐局部腐蝕性能，比如晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕。縫隙腐蝕等。圖1-2是鋼中的Cr含量對(duì)耐硝酸(32%)腐蝕性能的影響。 圖1-2Cr含量對(duì)鋼耐硝酸(32%)腐蝕性能的影響1. 同時(shí)Cr還是穩(wěn)定和擴(kuò)大鐵素體組織的元素，隨著Cr的增加奧氏體不銹鋼中可能出現(xiàn)鐵素體組織，為了獲得單-的奧氏體不銹鋼，-般要求不銹鋼中的Ni含量不能低于8%，常見的18-8是Cr-Ni配比最合適的不銹鋼。2.Ni在奧氏體不銹鋼中的作用Ni對(duì)于奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在對(duì)奧氏體組織穩(wěn)定性的影響方面。在可能發(fā)生馬氏體相變的Ni含量范圍內(nèi)，隨著Ni的增加，鋼的強(qiáng)度降低而塑性提高，韌性優(yōu)良，因而常作為低溫鋼使用。圖1-3所示N

5、i的固溶可以改善不銹鋼的韌性。Ni還能有效改善不銹鋼的冷加工硬化傾向，提高了冷加工成型能力，這主要是由于Ni的增加提高了奧氏體組織的穩(wěn)定性，減少了馬氏體的生成。在奧氏體不銹鋼中Ni的固溶提高了不銹鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性，使不銹鋼具有更好的不銹性和耐腐蝕能力，是提高奧氏體不銹鋼耐許多介質(zhì)穿晶腐蝕的唯-重要元素。 圖1-3Ni對(duì)奧氏體不銹鋼室溫和低溫力學(xué)性能影響13.N在奧氏體不銹鋼中的作用 N和Ni-樣是穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體的元素，它形成奧氏體的能力要比C的強(qiáng)，因此N可以部分的替代Ni用在對(duì)鋼鐵力學(xué)性能要求不太高的領(lǐng)域。N在奧氏體不銹鋼中能夠抑制馬氏體的產(chǎn)生，使組織更為單純。N作為間隙原子固溶在不銹鋼中能

6、夠?qū)w產(chǎn)生很好的固溶強(qiáng)化作用顯著提高不銹鋼的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)表明(圖1-4)每加入0.1%的N可使奧氏體不銹鋼的室溫強(qiáng)度提高約60-100MPa，但是N在提高不銹鋼強(qiáng)度的同時(shí)對(duì)于塑韌性的影響并不明顯。圖中G。:和Qb為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，6和甲為伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。N還能夠提高不銹鋼的耐腐蝕性能尤其是點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕非常顯著，研究表明N能夠強(qiáng)化Cr，Mo等元素在不銹鋼中的耐蝕作用，而Cr，Mo的存在是改善不銹鋼耐蝕性的前提。N還可降低奧氏體不銹鋼的冷加工硬化傾向，這主要是由于奧氏體穩(wěn)定性增大以至消除了冷加工過程中的馬氏體轉(zhuǎn)變。 圖1-4N對(duì)00Cr9Ni10鋼室溫力學(xué)性能的影響14.MO在奧氏體不

7、銹鋼中的作用 當(dāng)奧氏體不銹鋼無金屬間化合物析出時(shí)Mo的加入對(duì)其室溫下的力學(xué)性能影響不大。但是Mo能夠提高鋼的高溫強(qiáng)度，因此含MO不銹鋼也常作為高溫鋼使用。然而MO的加入使得不銹鋼高溫變形抗力增大，加之鋼中常常析出少量變形能力差的6相這樣就導(dǎo)致了含Mo不銹鋼的熱加工性差。因此含Mo奧氏體不銹鋼的生產(chǎn)制造過程-定要注意防止金屬間化合物的產(chǎn)生。 Mo和Cr-樣是形成、穩(wěn)定和擴(kuò)大鐵素體相區(qū)的元素。Mo形成鐵素體的能力與Cr相當(dāng)，但MO能促進(jìn)奧氏體不銹鋼中生成對(duì)不銹鋼的耐蝕性和力學(xué)性能不利的相，相，1aveS相沉淀，這些沉淀可以釘扎位錯(cuò)，影響不銹鋼的塑韌性。解決的方法就是M。增加的同時(shí)提高Ni、N、Mn

8、等穩(wěn)定奧氏體相元素的量4。5.Ni對(duì)奧氏體不銹鋼層錯(cuò)能的影響 奧氏體不銹鋼的主要成分是Fe、Cr、Ni，并且具有典型的面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)，同時(shí)還含有微量的Mn、Nb、MO、Ti、N等元素，這些元素對(duì)于改善奧氏體不銹鋼的特性起到-定的作用。奧氏體不銹鋼由于具有良好的抗腐蝕性，高韌性和塑性等優(yōu)良的加工性能在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用1。奧氏體不銹鋼之所以具有良好的塑性和其Fcc結(jié)構(gòu)以及低的層錯(cuò)能(SFE)有關(guān)。SFE是材料塑性變形的-個(gè)重要參數(shù)，它決定了材料滑移的難易程度，影響著位錯(cuò)的形核、運(yùn)動(dòng)、束集、交滑移和分解，并且和材料的強(qiáng)度及蠕變相關(guān)2-4。zhao5等發(fā)現(xiàn)降低材料SFE中的本征層錯(cuò)能-is

9、f有利于進(jìn)-步激發(fā)位錯(cuò)的滑移和孿生，從而改善材料的力學(xué)性能。同-結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼，合金成分不同引起的SFE差別比較大，影響不銹鋼的變形能力。奧氏體不銹鋼具有較低的屈服強(qiáng)度且伸長(zhǎng)率良好。材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和位錯(cuò)的滑移、攀移、交滑移以及位錯(cuò)的釘扎有關(guān)。SFE可以通過合金化的方式得到改變，事實(shí)上人們己經(jīng)通過改變材料的SFE來改善材料的力學(xué)性能。必須指出的是由于實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的難度，目前實(shí)驗(yàn)上得到的SFE的值偏差較大，因此理論計(jì)算已成為獲取SFE信息的有效手段之-。近年來EAM和MEAM方法己經(jīng)應(yīng)用于計(jì)算A1、cu、Ag的sFE。但是和第-性原理相比EAM所得結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因?yàn)閷渝e(cuò)間的作用是短程作用的，

10、因此第-性原理對(duì)于研究sFE更為有效。很多的金屬，例如Mg6、A1、cu、Ag17以及不銹鋼8-9都是采用第-性原理得到的，并且計(jì)算得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合的都比較的好。6.奧氏體不銹鋼的層錯(cuò)能6.1奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性及Cr、Ni占位分析奧氏體不銹鋼中Cr的含量為17-23wt.%，Ni的含量8-28wt.%，表3-1給出了常見的三種奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分，從這三種常見的奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)的牌號(hào)可以看出Cr的成分基本保持不變，主要的變化是Ni的含量。為了保證計(jì)算的可靠性，首先從實(shí)驗(yàn)中15找到了贊Fe原子占位(圖3-1a)并用Materia1sstudi。軟件構(gòu)建了-Fe單胞，同時(shí)用該軟件中的超晶

11、胞方法構(gòu)建了-Fe的2*3*1超晶胞(圖3-1b)，然后分別采用GGA和1DA兩種不同的近似方法對(duì)贊Fe單胞和Y-Fe2x3x1的超晶胞進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從表3-2的結(jié)果來看，1DA計(jì)算得到的晶格常數(shù)為3.385A，這要比GGA得到的晶格常數(shù)(3.47A左右)小，其中GGA-Wg1得到的結(jié)果(3.479A)和實(shí)驗(yàn)值(3.654人)吻合的最好。因此后續(xù)在計(jì)算奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性以及SFE時(shí)采用的是GGA-PW91近似。這樣就使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更趨于-致，也使得計(jì)算結(jié)果具有更高的可信度。表3-1常見奧氏體不銹鋼的主要化學(xué)成分鋼號(hào) 牌號(hào) Cr Ni Mn M0AISI-304 0Cr18Ni9 17-

12、19 8-10 0-2 AISI-305 1Cr18Ni12 17-19 10-13 0-2 AISI-904 0Cr20Ni25Mo5Cu2 19-23 23-23 0-2 4-5 圖3-1-Fe(a)，-Fe24原子超晶胞(b)，F(xiàn)e17Cr5Ni2(c)結(jié)構(gòu)模型圖在圖3-1b的基礎(chǔ)上又構(gòu)建了奧氏體不銹鋼的結(jié)構(gòu)模型:用2個(gè)Ni置換了3-1b中的Fe，這2個(gè)Fe原子分別是頂點(diǎn)上和超晶胞中心位置的，用5個(gè)Cr置換3-1b中的Fe，Cr力求均勻分布，結(jié)果得到圖3-Ic。采用GGA-PWg1計(jì)算了圖3-1b和3-1c兩種不同結(jié)構(gòu)的總能量，計(jì)算結(jié)果列于表3-3中。從中可以看出沒有固溶Ni、C:前(圖

13、3-1b)的總能量是-28250eV，而加入Ni、Cr(圖3-1c)后的能量是-29656eV，固溶Ni、C:后可以明顯降低Y-Fe的能量，因此Ni、cr能夠起到穩(wěn)定Y-Fe的作用。圖3-2奧氏體不銹鋼Fe19-xcr5Nix(x=2，3，4，5，6)完整結(jié)構(gòu)模型圖7.Ni含量對(duì)奧氏體不銹鋼電子特性的影響7.1電荷密度 為了更直觀地理解Cr、Ni固溶于奧氏體不銹鋼后對(duì)電荷密度的影響，圖3-16畫出了Fe17Cr5Ni2在(211)面上的面電荷密度。圖3-17是(111)面上的電荷密度圖。從圖3-16可以清楚地看到:合金元素Cr、Ni固溶于奧氏體不銹鋼后，C:原子和Fe原子之間的電荷密度比Ni原

14、子和Fe原子之間的略微密，Ni原子和Fe原子之間和兩個(gè)Fe原子之間的電荷密度幾乎沒發(fā)生變化。這說明Cr、Ni原子置換Fe原子后，Cr原子和Fe原子之間的結(jié)合能力強(qiáng)于Ni原子和Fe原子之間的結(jié)合能力。但是Ni原子置換Fe原子之后Fe原子和Cr原子周圍的電荷密度增多，因此Ni的加入能促進(jìn)了Cr原子和Fe原子之間的成鍵。同時(shí)還可以看出Fe-Cr，F(xiàn)e-i之間基本上都是成離子鍵，F(xiàn)e-Cr之間有少量的共價(jià)鍵成分。從電荷密度圖可以看出Cr對(duì)于奧氏體不銹鋼的影響要大于Ni的，與前文所述-致。從圖3-17也可以看出在(111)面上Ni-Fe間的結(jié)合略比Fe-Fe間的結(jié)合要強(qiáng)，但是這兩者之間的電荷密度差別不是

15、很明顯。圖3-16(a)Fe17Cr5Ni2(211)面上的電荷密度，(b)Fe19Cr5(211)面上的電荷密度圖3-17(a)(e)是Fe17Cr5Ni2(111)面上的電荷密度,(b)Fe19Cr5(111)面上的電荷密度結(jié)論主要探討了奧氏體不銹鋼Fe19-xCr5Nix(X=2，3，4，5，6)的GSFE，Ni、Cr不同占位的穩(wěn)定性和對(duì)us、isf、us/isf的影響，從電子層次上分析了Ni對(duì)于奧氏體不銹鋼的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： 1.Ni、Cr固溶于勢(shì)Fe后都能使奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性得到提高，且隨著Ni含量的增加，奧氏體不銹鋼的結(jié)合能從-6.seV/atom降低到-7.9eV/at

16、om，提高了奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性，Ni、Cr處于基體內(nèi)或?qū)渝e(cuò)區(qū)域?qū)Ψ€(wěn)定性影響不大，另外Ni固溶于奧氏體不銹鋼后有利于改善Fe原子和C:原子周圍的電荷分布，加強(qiáng)了Cr原子和Fe原子之間的成鍵能力; 2.隨著Ni含量的增加位錯(cuò)沿112力和211功滑移所需克服的勢(shì)壘由348mJ/m2提高到1181mJ/m2，增加了全位錯(cuò)分解成兩個(gè)不全位錯(cuò)的難度; 3.隨著Ni含量的增加，us和isf也相應(yīng)的增大，即形成層錯(cuò)所要克服的勢(shì)壘增大了，因此層錯(cuò)也就難以形成，奧氏體不銹鋼不容易變形，隨著Ni含量的增加us/isf有減緩的趨勢(shì)，但只是從6.12減小到5.48，降低的幅度很小。參考文獻(xiàn)1陸世英,張廷凱,康喜范等.7不銹鋼=M.7北京:原子能出版社,1998:62-63.2高娟.經(jīng)濟(jì)節(jié)鎳型不銹鋼局部腐蝕行為研究=D1.上海:上海交通大學(xué),2010.3李洪飛.254SMO奧氏體不銹鋼高溫析出相及熱模擬斷口斷裂機(jī)制分析=D.太原:太原理工大學(xué),2010.4王松濤.高氮奧氏體不銹鋼的力學(xué)行為及氮的作用機(jī)理7D.沈陽:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,2008.5Tob1erR.1.,Meyn D.C1eavage-1ikefraeturea1ongs1iP