奥氏体不锈钢层错能的理论研究

学号：1205101032计算机在材料中的应用奥氏体不锈钢层错能的理论研究姓名：徐敏专业：材料科学与工程二〇-六年-月摘要层错能是材料塑性变形中的重要本征参数，对材料的脆性-韧性转变有着重要影响。常温下材料最常见的两种塑性变形方式是位错滑移和孪生，位错的滑移和孪生导致了滑移带和孪晶的产生。虽然滑移带和孪晶引起晶格的畸变量较小，但是层错能的高低，尤其是本征层错能(γisf)和非稳定层错能(γus)，却影响着位错的形核、运动、束集、交滑移和分解。降低材料的层错能有利于进-步激发位错的滑移和孪生，从而改善材料的力学性能。N和Ni是奥氏体不锈钢中主要的合金化元素，对不锈钢的组织、性能有着重要影响。尽管实验上己有不锈钢γisf的值，但是测量过程对实验设备要求很高，并且只能获得γisf，且实验测得的γisf偏差较大。而计算材料科学的发展刚好弥补了实验上的不足，目前已经成功应用于A1、Fe、Cu、Ni等材料的层错能的研究。本论文采用基于密度泛函理论的第-性原理，从原子层次上研究了Ni对奥氏体不锈钢层错能的影响。主要研究内容如下:（1）研究了Ni对奥氏体不锈钢稳定性的影响。结果表明Ni固溶后都能够提高奥氏体不锈钢的稳定性，Ni的占位对于奥氏体不锈钢的稳定性影响不明显。（2）从电子层次上探索了Ni对于奥氏体不锈钢的影响:Ni固溶于奥氏体不锈钢后改善了Fe和Cr原子周围的电荷分布，加强了Cr原子和Fe原子之间的成键能力（3）研究了Ni对奥氏体不锈钢γus、γisf的影响:Ni含量的增加，提高了位错滑移所需克服的势垒，增加了位错滑移的难度关键词:奥氏体不锈钢，层错能，镍，第-性原理1.Cr在奥氏体不锈钢中的作用Cr是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素，奥氏体不锈钢耐蚀性的获得主要是由于Cr促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果，但是不锈钢中的Cr含量高于12%时其耐腐蚀能力才比较优越，因此不锈钢中的Cr含量都大于12%。C:的耐蚀性主要表现为:Cr提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能，在Ni以及Mo和Cu复合作用下Cr提高不锈钢耐某些还原性介质如有机酸，尿素和碱介质的腐蚀性能；Cr还提高钢耐局部腐蚀性能，比如晶间腐蚀、点腐蚀。缝隙腐蚀等。图1-2是钢中的Cr含量对耐硝酸(32%)腐蚀性能的影响。图1-2Cr含量对钢耐硝酸(32%)腐蚀性能的影响[1].同时Cr还是稳定和扩大铁素体组织的元素，随着Cr的增加奥氏体不锈钢中可能出现铁素体组织，为了获得单-的奥氏体不锈钢，-般要求不锈钢中的Ni含量不能低于8%，常见的18-8是Cr-Ni配比最合适的不锈钢。2.Ni在奥氏体不锈钢中的作用Ni对于奥氏体不锈钢的力学性能的影响主要表现在对奥氏体组织稳定性的影响方面。在可能发生马氏体相变的Ni含量范围内，随着Ni的增加，钢的强度降低而塑性提高，韧性优良，因而常作为低温钢使用。图1-3所示Ni的固溶可以改善不锈钢的韧性。Ni还能有效改善不锈钢的冷加工硬化倾向，提高了冷加工成型能力，这主要是由于Ni的增加提高了奥氏体组织的稳定性，减少了马氏体的生成。在奥氏体不锈钢中Ni的固溶提高了不锈钢的热力学稳定性，使不锈钢具有更好的不锈性和耐腐蚀能力，是提高奥氏体不锈钢耐许多介质穿晶腐蚀的唯-重要元素。图1-3Ni对奥氏体不锈钢室温和低温力学性能影响[1]3.N在奥氏体不锈钢中的作用N和Ni-样是稳定和扩大奥氏体的元素，它形成奥氏体的能力要比C的强，因此N可以部分的替代Ni用在对钢铁力学性能要求不太高的领域。N在奥氏体不锈钢中能够抑制马氏体的产生，使组织更为单纯。N作为间隙原子固溶在不锈钢中能够对基体产生很好的固溶强化作用显著提高不锈钢的强度，实验表明(图1-4)每加入0.1%的N可使奥氏体不锈钢的室温强度提高约60-100MPa，但是N在提高不锈钢强度的同时对于塑韧性的影响并不明显。图中G。:和Qb为屈服强度和抗拉强度，6和甲为伸长率和断面收缩率。N还能够提高不锈钢的耐腐蚀性能尤其是点腐蚀和缝隙腐蚀非常显著，研究表明N能够强化Cr，Mo等元素在不锈钢中的耐蚀作用，而Cr，Mo的存在是改善不锈钢耐蚀性的前提。N还可降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向，这主要是由于奥氏体稳定性增大以至消除了冷加工过程中的马氏体转变。图1-4N对00Cr9Ni10钢室温力学性能的影响[1]4.MO在奥氏体不锈钢中的作用当奥氏体不锈钢无金属间化合物析出时Mo的加入对其室温下的力学性能影响不大。但是Mo能够提高钢的高温强度，因此含MO不锈钢也常作为高温钢使用。然而MO的加入使得不锈钢高温变形抗力增大，加之钢中常常析出少量变形能力差的6相这样就导致了含Mo不锈钢的热加工性差。因此含Mo奥氏体不锈钢的生产制造过程-定要注意防止金属间化合物的产生。Mo和Cr-样是形成、稳定和扩大铁素体相区的元素。Mo形成铁素体的能力与Cr相当，但MO能促进奥氏体不锈钢中生成对不锈钢的耐蚀性和力学性能不利的σ相，Ƙ相，1aveS相沉淀，这些沉淀可以钉扎位错，影响不锈钢的塑韧性。解决的方法就是M。增加的同时提高Ni、N、Mn等稳定奥氏体相元素的量[4]。5.Ni对奥氏体不锈钢层错能的影响奥氏体不锈钢的主要成分是Fe、Cr、Ni，并且具有典型的面心立方结构(FCC)，同时还含有微量的Mn、Nb、MO、Ti、N等元素，这些元素对于改善奥氏体不锈钢的特性起到-定的作用。奥氏体不锈钢由于具有良好的抗腐蚀性，高韧性和塑性等优良的加工性能在工业中得到广泛的应用[1]。奥氏体不锈钢之所以具有良好的塑性和其Fcc结构以及低的层错能(SFE)有关。SFE是材料塑性变形的-个重要参数，它决定了材料滑移的难易程度，影响着位错的形核、运动、束集、交滑移和分解，并且和材料的强度及蠕变相关[2-4]。zhao[5]等发现降低材料SFE中的本征层错能γ-isf有利于进-步激发位错的滑移和孪生，从而改善材料的力学性能。同-结构的奥氏体不锈钢，合金成分不同引起的SFE差别比较大，影响不锈钢的变形能力。奥氏体不锈钢具有较低的屈服强度且伸长率良好。材料的应力-应变曲线和位错的滑移、攀移、交滑移以及位错的钉扎有关。SFE可以通过合金化的方式得到改变，事实上人们己经通过改变材料的SFE来改善材料的力学性能。必须指出的是由于实验检测的难度，目前实验上得到的SFE的值偏差较大，因此理论计算已成为获取SFE信息的有效手段之-。近年来EAM和MEAM方法己经应用于计算A1、cu、Ag的sFE。但是和第-性原理相比EAM所得结果不够准确，因为层错间的作用是短程作用的，因此第-性原理对于研究sFE更为有效。很多的金属，例如Mg[6]、A1、cu、Ag1[7]以及不锈钢[8-9]都是采用第-性原理得到的，并且计算得到的结果和实验值吻合的都比较的好。6.奥氏体不锈钢的层错能6.1奥氏体不锈钢的稳定性及Cr、Ni占位分析奥氏体不锈钢中Cr的含量为17-23wt.%，Ni的含量8-28wt.%，表3-1给出了常见的三种奥氏体不锈钢的化学成分，从这三种常见的奥氏体不锈钢对应的牌号可以看出Cr的成分基本保持不变，主要的变化是Ni的含量。为了保证计算的可靠性，首先从实验中[15]找到了赞Fe原子占位(图3-1a)并用Materia1sstudi。软件构建了γ-Fe单胞，同时用该软件中的超晶胞方法构建了γ-Fe的2*3*1超晶胞(图3-1b)，然后分别采用GGA和1DA两种不同的近似方法对赞Fe单胞和Y-Fe2x3x1的超晶胞进行了结构优化，从表3-2的结果来看，1DA计算得到的晶格常数为3.385A，这要比GGA得到的晶格常数(3.47A左右)小，其中GGA-Wg1得到的结果(3.479A)和实验值(3.654人)吻合的最好。因此后续在计算奥氏体不锈钢的稳定性以及SFE时采用的是GGA-PW91近似。这样就使得计算结果与实验更趋于-致，也使得计算结果具有更高的可信度。表3-1常见奥氏体不锈钢的主要化学成分钢号牌号CrNiMnM0AISI-3040Cr18Ni917-198-100-2－AISI-3051Cr18Ni1217-1910-130-2－AISI-9040Cr20Ni25Mo5Cu219-2323-230-24-5图3-1γ-Fe(a)，γ-Fe24原子超晶胞(b)，Fe17Cr5Ni2(c)结构模型图在图3-1b的基础上又构建了奥氏体不锈钢的结构模型:用2个Ni置换了3-1b中的Fe，这2个Fe原子分别是顶点上和超晶胞中心位置的，用5个Cr置换3-1b中的Fe，Cr力求均匀分布，结果得到图3-Ic。采用GGA-PWg1计算了图3-1b和3-1c两种不同结构的总能量，计算结果列于表3-3中。从中可以看出没有固溶Ni、C:前(图3-1b)的总能量是-28250eV，而加入Ni、Cr(图3-1c)后的能量是-29656eV，固溶Ni、C:后可以明显降低Y-Fe的能量，因此Ni、cr能够起到稳定Y-Fe的作用。图3-2奥氏体不锈钢Fe19-xcr5Nix(x=2，3，4，5，6)完整结构模型图7.Ni含量对奥氏体不锈钢电子特性的影响7.1电荷密度为了更直观地理解Cr、Ni固溶于奥氏体不锈钢后对电荷密度的影响，图3-16画出了Fe17Cr5Ni2在(211)面上的面电荷密度。图3-17是(111)面上的电荷密度图。从图3-16可以清楚地看到:合金元素Cr、Ni固溶于奥氏体不锈钢后，C:原子和Fe原子之间的电荷密度比Ni原子和Fe原子之间的略微密，Ni原子和Fe原子之间和两个Fe原子之间的电荷密度几乎没发生变化。这说明Cr、Ni原子置换Fe原子后，Cr原子和Fe原子之间的结合能力强于Ni原子和Fe原子之间的结合能力。但是Ni原子置换Fe原子之后Fe原子和Cr原子周围的电荷密度增多，因此Ni的加入能促进了Cr原子和Fe原子之间的成键。同时还可以看出Fe-Cr，Fe-i之间基本上都是成离子键，Fe-Cr之间有少量的共价键成分。从电荷密度图可以看出Cr对于奥氏体不锈钢的影响要大于Ni的，与前文所述-致。从图3-17也可以看出在(111)面上Ni-Fe间的结合略比Fe-Fe间的结合要强，但是这两者之间的电荷密度差别不是很明显。图3-16(a)Fe17Cr5Ni2(211)面上的电荷密度，(b)Fe19Cr5(211)面上的电荷密度图3-17(a)(e)是Fe17Cr5Ni2(111)面上的电荷密度,(b)Fe19Cr5(111)面上的电荷密度结论主要探讨了奥氏体不锈钢Fe19-xCr5Nix(X=2，3，4，5，6)的GSFE，Ni、Cr不同占位的稳定性和对γus、γisf、γus/γisf的影响，从电子层次上分析了Ni对于奥氏体不锈钢的影响，得出以下几点结论：1.Ni、Cr固溶于势Fe后都能使奥氏体不锈钢的稳定性得到提高，且随着Ni含量的增加，奥氏体不锈钢的结合能从-6.seV/atom降低到-7.9eV/atom，提高了奥氏体不锈钢的稳定性，Ni、Cr处于基体内或层错区域对稳定性影响不大，另外Ni固溶于奥氏体不锈钢后有利于改善Fe原子和C:原子周围的电荷分布，加强了Cr原子和Fe原子之间的成键能力;2.随着Ni含量的增加位错沿[112]力和[211]功滑移所需克服的势垒由348mJ/m2提高到1181mJ/m2，增加了全位错分解成两个不全位错的难度;3.随着Ni含量的增加，γus和γisf也相应的增大，即形成层错所要克服的势垒增大了，因此层错也就难以形成，奥氏体不锈钢不容易变形，随着Ni含量的增加γus/γisf有减缓的趋势，但只是从6.12减小到5.48，降低的幅度很小。参考文献[1〕陆世英,张廷凯,康喜范等.7不锈钢=M].7北京:原子能出版社,1998:62-63.[2〕高娟.经济节镍型不锈钢局部腐蚀行为研究=D1.上海:上海交通大学,2010.[3]李洪飞.254SMO奥氏体不锈钢高温析出相及热模拟断口断裂机制分析=D].太原:太原理工大学,2010.[4王松涛.高氮奥氏体不锈钢的力学行为及氮的作用机理7D].沈阳:中国科学院金属研究所,2008.[5]Tob1erR.1.,