奧氏體不銹鋼層錯能的理論研究

1、學號：1205101032計算機在材料中的應用奧氏體不銹鋼層錯能的理論研究姓名：徐敏專業(yè)：材料科學與工程二0-六年一月摘要層錯能是材料塑性變形中的重要本征參數，對材料的脆性-韌性轉變有著重要影響。常溫下材料最常見的兩種塑性變形方式是位錯滑移和攣生，位錯的滑移和攣生導致了滑移帶和攣晶的產生。雖然滑移帶和攣晶引起晶格的畸變量較小，但是層錯能的高低，尤其是本征層錯能(丫isf)和非穩(wěn)定層錯能(丫us),卻影響著位錯的形核、運動、束集、交滑移和分解。降低材料的層錯能有利于進-步激發(fā)位錯的滑移和攣生，從而改善材料的力學性能。N和Ni是奧氏體不銹鋼中主要的合金化元素，對不銹鋼的組織、性能有著重要影響。盡管

2、實驗上己有不銹鋼丫isf的值，但是測量過程對實驗設備要求很高，并且只能獲得丫isf,且實驗測得的Yisf偏差較大。而計算材料科學的發(fā)展剛好彌補了實驗上的不足，目前已經成功應用于A1、Fe、CuuNi等材料的層錯能的研究。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對奧氏體不銹鋼層錯能的影響。主要研究內容如下：(1)研究了Ni對奧氏體不銹鋼穩(wěn)定性白影響。結果表明Ni固溶后都能夠提高奧氏體不銹鋼的后I定性，Ni的占位對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，加強了Cr原子和F

3、e原子之間的成鍵能力(3)研究了Ni對奧氏體不銹鋼Yus、isf的影響：Ni含量的增加，提高了位錯滑移所需克服的勢壘，增加了位錯滑移的難度關鍵詞：奧氏體不銹鋼，層錯能，饃，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促進了鋼的鈍化并使鋼保持穩(wěn)定鈍態(tài)的結果，但是不銹鋼中的Cr含量高于12%時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:的耐蝕性主要表現為：Cr提高鋼的耐氧化性介質和酸性氯化物介質的性能，在Ni以及Mo和Cu復合作用下Cr提高不銹鋼耐某些還原性介質如有機酸，尿素和堿介質的腐蝕性能；Cr還提高

4、鋼耐局部腐蝕性能，比如晶間腐蝕、點腐蝕?？p隙腐蝕等。圖1-2是鋼中的Cr含量對耐硝酸（32%）腐蝕性能的影響。圖1-2Cr含量對鋼耐硝酸（32%）腐蝕性能的影響121P1UO5PUQUCr的增加奧氏體不銹鋼中-般要求不銹鋼中的Ni含量同時Cr還是穩(wěn)定和擴大鐵素體組織的元素，隨著可能出現鐵素體組織，為了獲得單-的奧氏體不銹鋼,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對于奧氏體不銹鋼的力學性能的影響主要表現在對奧氏體組織穩(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，隨著Ni的增加，鋼的強度降低而塑性提高，韌性優(yōu)良，因而常作為低溫鋼使

5、用。圖1-3所示Ni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穿晶腐蝕的唯-重要元素。圖1-3Ni對奧氏體不銹鋼室溫和低溫力學性能影響1(芭上二匕3 .N在奧氏體不銹鋼中的作用N和Ni-樣是穩(wěn)定和擴大奧氏體的元素，它形成奧氏體的能力要比C的強，因此N可以部分的替代Ni用在對鋼鐵力學性能要求不太高的領域。N在奧氏體不銹鋼中能夠抑制馬氏體的產生，使組織更為單純。N作

6、為間隙原子固溶在不銹鋼中能夠對基體產生很好的固溶強化作用顯著提高不銹鋼的強度，實驗表明（圖1-4）每加入0.1%的N可使奧氏體不銹鋼的室溫強度提高約60-100MPa,但是N在提高不銹鋼強度的同時對于塑韌性的影響并不明顯。圖中G。：和Qb為屈服強度和抗拉強度，6和甲為伸長率和斷面收縮率。N還能夠提高不銹鋼的耐腐蝕性能尤其是點腐蝕和縫隙腐蝕非常顯著，研究表明N能夠強化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變。N(圖1-4N對00Cr9Ni10鋼室溫力學性

7、能的影響14 .MO在奧氏體不銹鋼中的作用當奧氏體不銹鋼無金屬間化合物析出時Mo的加入對其室溫下的力學性能影響不大。但是Mo能夠提高鋼的高溫強度，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制造過程-定要注意防止金屬間化合物的產生。Mo和Cr-羊是形成、穩(wěn)定和擴大鐵素體相區(qū)的元素。Mo形成鐵素體的能力與Cr相當，但MO能促進奧氏體不銹鋼中生成對不銹鋼的耐蝕性和力學性能不利的(4目，？相，1aveS相沉淀，這些沉淀可以釘扎位錯，影響不銹鋼的塑韌性。解決的方法就是

8、Mo增加的同時提高Ni、N、Mn等穩(wěn)定奧氏體相元素的量4。5 .Ni對奧氏體不銹鋼層錯能的影響奧氏體不銹鋼的主要成分是FeCr、Ni,并且具有典型的面心立方結構(FCC)同時還含有微量的Mn、Nb、MO、Ti、N等元素，這些元素對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)中得到廣泛的應用1。奧氏體不銹鋼之所以具有良好的塑性和其Fcc結構以及低的層錯能(SFEW關。SFE是材料塑Tt變形的-個重要參數，它決定了材料滑移的難易程度，影響著位錯的形核、運動、束集、交滑移和分解，并且和材料的強度及蠕變相關2-4。zhao等發(fā)現降低材料

9、SFE中的本征層錯能yisf有利于進-步激發(fā)位錯的滑移和學生，從而改善材料的力學性能。同-結構的奧氏體不銹鋼，合金成分不同引起的SFES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度且伸長率良好。材料的應力-應變曲線和位錯的滑移、攀移、交滑移以及位錯的釘扎有關。SFEM以通過合金化的方式得到改變，事實上人們己經通過改變材料的SFE*改善材料的力學性能。必須指出的是由于實驗檢測的難度，目前實驗上得到的SFE的值偏差較大，因此理論計算已成為獲取SFE言息的有效手段之-。近年來EAM和MEAM方法己經應用于計算A1、cu、Ag的sFE但是和第-性原理相比EAM所得結果不夠準確，因為層

10、錯問的作用是短程作用的，因此第-性原理對于研究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，并且計算得到的結果和實驗值吻合的都比較的好。6 .奧氏體不銹鋼的層錯能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成分，從這三種常見的奧氏體不銹鋼對應的牌號可以看出Cr的成分基本保持不變，主要的變化是Ni的含量。為了保證計算的可靠性，首先從實驗中15找到了贊Fe原子占位（圖3-1a講用Materia1sstudi。軟件構建了yFe

11、單胞，同時用該軟件中的超晶胞方法構建了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贊Fe單胞和Y-Fe2x3x1的超晶胞進行了結構優(yōu)化，從表3-2的結果來看，1DA計算得到的品格常數為3.385A,這要比GGA得到的品格常數（3.47A左右）小，其中GGA-Wg1得至IJ的結果（3.479A）和實驗值（3.654人）吻合的最好。因此后續(xù)在計算奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性以及SFE時采用的是GGA-PW91近似。這樣就使得計算結果與實驗更趨于-致，也使得計算結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成分鋼號牌號CrNiMnM0AISI-3040Cr1

12、8Ni917-198-100-2一AISI-3051Cr18Ni1217-1910-130-2一AISI-9040Cr20Ni25Mo5Cu219-2323-230-24-5圖3-1rFe（a）,yFe24原子超晶胞（b）,Fei7Cr5Ni2（c）結構模型圖在圖3-1b的基礎上又構建了奧氏體不銹鋼的結構模型：用2個Ni置換了3-1b中的Fe,這2個Fe原子分別是頂點上和超晶胞中心位置的，用5個Cr置換3-1b中的Fe,Cr力求均勻分布，結果得到圖3-ICo采用GGA-PWg1計算了圖3-1b和3-1c兩種不同結構的總能量，計算結果列于表3-3中。從中可以看出沒有固溶Ni、C:前（圖3-1b）

13、的總能量是-28250eV,而加入Ni、Cr（53-1c）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。FepCrjNij住用0$卜bF如$5出院州&卜9門Ni右圖3-2奧氏體不銹鋼Fe19-xcr5Nix(x=2,3,4,5,6)完整結構模型圖7 .Ni含量對奧氏體不銹鋼電子特性的影響7.1 電荷密度圖3-16為了更直觀地理解Cr、Ni固溶于奧氏體不銹鋼后對電荷密度的影響，畫出了FeCrsNiZ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

14、后，C:原子和Fe原子之間的電荷密度比Ni原子和Fe原子之間的略微密，Ni原子和Fe原子之間和兩個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原子之間的結合能力強于Ni原子和Fe原子之間的結合能力。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的加入能促進了Cr原子和Fe原子之間的成鍵。同時還可以看出Fe-Cr，Fe-i之間基本上都是成離子鍵，Fe-Cr之間有少量的共價鍵成分。從電荷密度圖可以看出Cr對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間的結合略比Fe-Fe間

15、的結合要強，但是這兩者之間的電荷密度差別不是很明顯圖3-16(a)Fe17CrsNi2(211)面上的電荷密度,(b)Fe19Cr5(211)面上的電荷密度I圖3-17(a)(e)是FenC5Ni2(111)面上的電荷密度，(b)Fe19Cr5(111)面上的電荷密度結論主要探討了奧氏體不銹鋼Fe19-xC6Nix(X=2,3,4,5,6)的GSFENi、Cr不同占位的穩(wěn)定性和對s、兩、Xs/網的影響，從電子層次上分析了Ni對于奧氏體不銹鋼的影響，得出以下幾點結論：1 .Ni、Cr固溶于勢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，奧氏體不銹鋼的結合能從-6.seV/ato

16、m降低到-7.9eV/atom,提高了奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性，Ni、Cr處于基體內或層錯區(qū)域對穩(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含量的增加位錯沿112力和211功滑移所需克服的勢壘由348mJ/m2提高到1181mJ/m2,增加了全位錯分解成兩個不全位錯的難度；3 .隨著Ni含量的增加，次和網也相應的增大，即形成層錯所要克服的勢壘增大了，因此層錯也就難以形成，奧氏體不銹鋼不容易變形，隨著Ni含量的增加溫恂有減緩的趨勢，但只是從6.12減小到5.48,降低的幅度很小。參考文獻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.經濟節(jié)饃型不銹鋼局部腐蝕行為研究=D1.上海:上海交通大學,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制分析=D.太原：太原理工大學,2010.4王松濤.高氮奧氏體不銹鋼的力學行為及氮的作用機理7D.沈陽：中國科學院金屬研究所,2008.5Tob1erR.1.,MeynD.C1eavage-1ikefraeturea1