Fe-N系統(tǒng)的第一性原理模擬研究.pdf

1、N是鋼中的常見(jiàn)添加元素，可以提高鋼的各種性能，如強(qiáng)度、硬度，耐腐蝕性等。本論文通過(guò)基于密度泛函理論的第一性原理方法(DFT)，并結(jié)合過(guò)渡態(tài)和熱力學(xué)理論，系統(tǒng)的討論了Fe-N系統(tǒng)中關(guān)于點(diǎn)缺陷和面缺陷的四個(gè)問(wèn)題：N擴(kuò)散進(jìn)入BCC Fe的原子機(jī)制；FCC鐵中N和點(diǎn)缺陷的相互作用；N和C原子在BCC鐵中晶界的吸附，擴(kuò)散機(jī)制；BCC Fe中對(duì)稱(chēng)晶界的遷移機(jī)制以及點(diǎn)缺陷對(duì)晶界遷移的影響。得到的結(jié)論如下：
　　(1)N在BCC Fe表面的最適宜

2、吸附位置和N的覆蓋率有關(guān)。一旦進(jìn)入基體，N傾向于占據(jù)八面體間隙位置，而不是四面體間隙。然而，四面體間隙在擴(kuò)散中扮演著過(guò)渡態(tài)的角色，是擴(kuò)散過(guò)程的鞍點(diǎn)，決定了擴(kuò)散的能壘。和C在BCC Fe中的行為相比，兩者有很多類(lèi)似之處，但也有區(qū)別。除了在吸附能，擴(kuò)散能壘等物理量上量的區(qū)別之外，N和C從BCC Fe(100)面擴(kuò)散進(jìn)入亞表面的原子機(jī)制完全不同，分析表明這是由于N和亞表層Fe原子之間的排斥作用造成。
　　(2)在FCC Fe中，自旋極化

3、(磁性)會(huì)減小N的溶解焓和空位的形成能；N-N之間存在排斥相互作用，且作用會(huì)被自旋極化減弱；N和空位(v)之間有很強(qiáng)的相互吸引作用，以至于一個(gè)空位可以吸附多個(gè)N，形成點(diǎn)缺陷團(tuán)簇(NVC)。NVC的分布依賴(lài)于N的濃度和溫度。計(jì)算發(fā)現(xiàn)隨著N濃度和溫度的改變，主要占據(jù)數(shù)的NVC是vN2，vN3，vN4和vN5。N的濃度會(huì)影響空位濃度，增大N的濃度可增大空位的濃度達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)，但提高N濃度最終會(huì)使空位濃度飽和，這和Kirchheilm的熱力學(xué)理

4、論預(yù)測(cè)一致。
　　(3)C和N會(huì)對(duì)晶界(GB)結(jié)構(gòu)和結(jié)合能產(chǎn)生不同的影響。C原子會(huì)將構(gòu)成 BCC FeΣ5<100>(210) GB的兩個(gè)晶粒拉近，而N原子會(huì)將它們推開(kāi)，但分析結(jié)合能大小卻發(fā)現(xiàn)C原子會(huì)弱化Σ5晶界，而N會(huì)強(qiáng)化Σ5晶界。C和N原子都會(huì)將構(gòu)成Σ3<100>(112) GB的兩個(gè)晶粒推開(kāi)，且使其脆化。間隙原子與晶界的結(jié)合能可以分解為化學(xué)能和機(jī)械能兩部分。間隙原子和Σ5晶界Fe原子之間形成的化學(xué)鍵的化學(xué)能是決定其結(jié)合能的關(guān)

5、鍵，而間隙原子偏聚在Σ3晶界上則會(huì)引起很大的機(jī)械能。Σ5晶界的間隙比較大，可以容納多個(gè)間隙原子，但應(yīng)用第一性原理熱力學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)在本文所考慮的間隙原子濃度下，Σ5晶界只可能含有一個(gè)C或者N原子，否則會(huì)形成化合物。大角晶界可以看作由胞結(jié)構(gòu)構(gòu)成，間隙原子在晶界胞之間的跳躍實(shí)現(xiàn)了間隙原子在晶界中的擴(kuò)散。計(jì)算發(fā)現(xiàn)C和N在Σ5晶界中的擴(kuò)散機(jī)制不同。和體擴(kuò)散過(guò)程相比，Σ5晶界會(huì)加速N而減弱C的擴(kuò)散。C和N原子在Σ3晶界中的擴(kuò)散機(jī)制基本相同，且非常類(lèi)

6、似于體擴(kuò)散機(jī)制。和體擴(kuò)散對(duì)比，Σ3晶界嚴(yán)重阻礙了C和N的擴(kuò)散。
　　(4)BCC FeΣ5<100>(210)和Σ5<100>(310)對(duì)稱(chēng)晶界的晶界能相差不大，但理想遷移能壘卻相差很大。Σ5(310)相對(duì)來(lái)說(shuō)更加穩(wěn)定。間隙原子會(huì)大大提高晶界的遷移能壘，而空位對(duì)晶界遷移的影響則相對(duì)復(fù)雜?？瘴坏膮⑴c會(huì)大大減小Σ5(310)的遷移能壘，但計(jì)算沒(méi)有發(fā)現(xiàn)空位會(huì)減小Σ5(210)的遷移能壘。文中提出了描述晶界遷移的形核機(jī)制：晶界位錯(cuò)環(huán)模型(