純鐵表面機械研磨相關(guān)問題及表面吸附CO的第一性原理研究.pdf

1、金屬的表面在經(jīng)過機械研磨處理(Surface Mechanieal AttritionTreatment-SMAT)后能形成一定厚度的變形層，其晶粒尺寸由表及里呈現(xiàn)出梯度變化，其中最表層依材料不同形成一定厚度的納米晶層，可提高其整體使用性能。目前，已有許多關(guān)于金屬和合金經(jīng)機械研磨以后表面性能研究的報道，初步弄清了納米晶形成機制，基本掌握了性能變化規(guī)律，并逐步地向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域推廣。目前基于此方法金屬的表層納米結(jié)構(gòu)形成過程、納米結(jié)構(gòu)的微觀組

2、織演變、納米層的性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系等的研究正在向著縱深發(fā)展。
　　 本論文對純鐵表面納米層的機械性能進行了實驗和模擬研究，從材料的晶粒尺寸、硬度與強度的對應(yīng)關(guān)系入手，用ANSYS軟件模擬了試樣的梯度結(jié)構(gòu)，探究了表面納米層對純鐵的拉伸過程和強度的影響;對于機械研磨法在純鐵表面獲得鐵鎳合金層的方法進行了工藝改進，獲得了較厚的合金層，分析表征了以鎳粉和二氧化鋯粉體制備的純鐵表面合金層的組織結(jié)構(gòu);對于小分子CO在Fe(110)表面的吸附，進

3、行了第一性原理的分析，用分子動力學(xué)計算MS軟件，建立了分子模型，對吸附能，吸附后的結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度、差分電荷密度進行了分析，為下一步納米鐵的研究奠定基礎(chǔ)。
　　 本論文的主要結(jié)論:
　　 1、純鐵表面產(chǎn)生約25μm的納米層，對于0.5mm厚的試樣拉伸測試，發(fā)現(xiàn)明顯增大了其抗拉強度，減小了其彈性模量(斜率)，伸長率則略有減小。由進行了短時的低溫退火處理后，試樣的彈性模量有所恢復(fù)，殘余應(yīng)力和缺陷的減少可能是主要原因。SMAT誘

4、導(dǎo)的表面細化晶層是導(dǎo)致抗拉強度提高的主要原因;同時表面在彈丸撞擊下似經(jīng)歷了一定程度軋制，殘余壓應(yīng)力存在于表面，裂紋的形成被有效的遏制;此外納米晶層對內(nèi)部基體有約束作用，基體中滑移帶的發(fā)展被有效的阻礙，硬化現(xiàn)象不明顯，材料整體的抗拉強度得到了有效的提升。
　　 2、對同樣尺寸的試樣的拉伸模擬計算證實了實驗結(jié)果。通過所建立的晶粒尺寸一硬度一抗拉強度的對應(yīng)關(guān)系，并通過結(jié)構(gòu)梯度材料的強度模型模擬，可以建立較可靠的模型。納米純鐵材料拉伸強

5、度的預(yù)測值約為40OMPa。
　　 3、在試樣罐中添加鎳粉而成為表面合金化方法(Surface mechanicalattrition alloy treatment-SMAAT)。經(jīng)過SMAAT100min+30min600℃退火處理，在純鐵表面發(fā)現(xiàn)形成了鐵鎳合金層(約30μm厚)，原子擴散是在表面機械研磨過程中較活躍的現(xiàn)象，證實了在金屬表面的合金化現(xiàn)象。經(jīng)過三次SMAAT1OOmin+3Omin900℃退火處理，形成了約60

6、μm厚的鐵鎳合金層，而且擴散的濃度有很大提高，在背散射和線掃描中可以看到明顯的合金過渡層，這是由于退火促進了鎳粉的擴散所致;合金層形成了FeNi合金相，主要是由于表面強烈塑性變形所形成的缺陷成為鎳元素擴散的通道，儲存在基體上的應(yīng)變能為其擴散又提供了能量;硬度值由表及里逐漸減小，經(jīng)分析這是由于強化相生成、晶粒細化效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)共同所致。
　　 4、對于添加了二氧化鋯的試樣，SMAAT100min所得二氧化錯層厚度大約是30至5

7、0微米，SMAAT 300min所得二氧化錯層厚度大約是100微米，二氧化錯在基體表面呈顆粒狀分布，而且SMAAT過程顯著細化了其晶粒;顯微硬度增加，一方面是由于二氧化錯本身具有極高的硬度，另一方面是由于晶粒細化和加工硬化。SMAAT過程中形成了合金相ZrFe2和單質(zhì)Zr，長時間的表面機械研磨處理和多次較高溫度的退火更能促進單質(zhì)錯的形成及擴散。
　　 5、通過采用第一性原理簡單地計算了CO分子在Fe(l10)面上的吸附。揭示一氧