合金元素對γ-Fe表界面電化學性能影響機制的理論研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼因具有全面的和良好的綜合性能，在不銹鋼中一直扮演著最重要的角色，其生產量和使用量約占鋼總量及用量的70％，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應用。當今大部分所使用的奧氏體不銹鋼的成分是在最經濟的18-8型不銹鋼的成分基礎上演變而來，以滿足不同應用的不同性能要求。例如，加Mo改善點蝕和耐縫隙腐蝕，降C或加Ti、Nb，減少晶間腐蝕傾向，加Ni和Cr改善高溫抗氧化性和強度，加Ni改善抗應力腐蝕性能，加S、Se改善切削性和構件表面精度等。可見

2、合金或雜質元素會對奧氏體鋼的性能有很大影響，在其諸多眾多性質中，耐蝕性和力學性能無疑是最重要的。
　　鑒于大量的實驗研究結果，本文將通過密度泛函理論計算方法，從原子層次研究合金元素對奧氏體不銹鋼表面電化學性能及雜質原子引起的晶界界面特性變化的影響及作用機理，以期為設計新的高強度耐腐蝕奧氏體鋼提供理論指導。通過構建γ-Fe(111)表面模型來模擬奧氏體鋼的表面，我們首先從間隙原子N，C對Cr在不銹鋼中的占位及穩(wěn)定性來研究N和C對γ-

3、Fe(111)表面耐蝕性的影響規(guī)律。計算表明，N和C沒有摻雜于γ-Fe(111)表面時，Cr會隨著其濃度的增加而向該表面最表層擴散偏聚，而當N或C摻雜于表面時，將有助于Cr向表面的擴散偏聚；同時，N能降低Cr向表面擴散偏聚時的能壘，從而促進表面自鈍化過程，而C則提高了該能壘，抑制了表面自鈍化過程；Cr在向表面擴散偏聚過程中會向間隙原子N或C靠近，它們會相互影響而削弱各自單獨存在時提高表面電化學穩(wěn)定性的效果；N與Cr結合而導致表面貧Cr及

4、降低表面電化學穩(wěn)定性的程度比C輕，因而合理的加入N可作為提高奧氏體不銹鋼綜合性能的有效方法。接著從常見合金元素在表面的偏聚行為及對O和H2O在表面吸附的影響方面，我們研究在表面鈍化膜被破壞的情形下，合金元素對抑制γ-Fe(111)表面的氧化性腐蝕及溶解性腐蝕的作用，以找到減緩表面腐蝕的可行方法。計算結果表明，所有的十種合金元素（Cr，Si，Cu，Al，Ni，Nb，Co，Mo，Mn，Ti）都有向表面偏聚的傾向，綜合考慮這些合金元素對表面O

5、和H2O的吸附及對整個吸附體系電化學穩(wěn)定性的影響，我們發(fā)現(xiàn)它們（尤其是Cr，Si，Cu）均能抑制該表面的氧化性腐蝕；除了Ti和Nb之外，它們（尤其是Cr，Mo，Si）均能緩解表面的溶解性腐蝕。
　　此外，通過構建γ-FeΣ5[001](210)晶界模型，分析溶質和雜質原子（B，S）對晶界結合穩(wěn)定性的影響，我們研究了它們在對奧氏體鋼熱塑性的影響及作用機理，從而通過合金化來改善雜質原子引起的對強韌性不利影響。研究發(fā)現(xiàn)，B和S均會在晶界

6、處偏聚，并且B可以強化晶界結合而S會降低晶界結合強度。合金元素Cr，Mn，Ni，Mo，Co均抑制B在晶界處的偏聚并削弱B加強晶界結合的作用。單獨的Mn或Ni的存在，尤其是Mn，會進一步惡化S減弱晶界結合強度的程度，而Mo則可以削弱S對晶界結合的不利影響，但當Mn或Ni與Cr一起作用時(即在Fe-Cr-Mn或Fe-Cr-Ni合金中)，則削弱了S降低晶界結合穩(wěn)定性的程度。雜質或溶質原子對晶界結合穩(wěn)定性的影響取決于晶界處原子之間的縱向引力與外