合金元素对Cu/γ-Fe界面特性影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算合金原子在Cu/γ-Fe界面不同点阵位置的置换能,确定合金元素在Cu/γ-Fe界面模型的占位。通过对晶格错配度、界面结合能、界面能和电子结构的计算分析合金元素对Cu/γ-Fe界面特性的影响。计算结果表明:合金元素B、Si、P、Al、Zr使界面结合能增大,增强Cu/γ-Fe界面稳定性;B、Si、P等11种合金元素则会使界面能降低,有利于γ-Fe的时效析出形核。因此,B、Si、P、Al、Zr可以促进γ-Fe的析出,同时形成稳定的γ-Fe相。通过合金原子相对体积、晶格错配度和差分电荷密度的计算,分析合金元素的作用机制。     

RE_2O_3对钢液凝固时异质形核促进效用的晶体学计算

针对钢中添加稀土镧、铈形成的高熔点夹杂物相Ce_2O_3和La_2O_3,利用边-边匹配模型计算其与初生相(δ-Fe或γ-Fe)之间的原子匹配情况,从晶体学角度预测其作为钢液凝固时初生相异质形核核心的可能性及效用,并为理解稀土细化钢的凝固组织的作用机理提供新的见解。结果表明,Ce_2O_3和La_2O_3均可作为初生相δ-Fe及γ-Fe异质形核的核心;Ce_2O_3和La_2O_3均可有效细化δ-Fe晶粒,但其细化γ-Fe晶粒的效果远不如其细化δ-Fe晶粒的效果;对于γ-Fe,La_2O_3的细化效果较Ce_2O_3稍好。     

含铌钢中NbC/α-Fe界面关系的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,分别计算了NbC/α-Fe界面模型的几何结构和电子结构,在此基础上,探讨了含铌微合金钢中NbC与α-Fe界面关系及作用机理。结果表明,NbC析出物趋向于以α-Fe的体心Fe原子作为键桥结合;对上述结合方式模型的态密度、电荷密度和重叠布居数的分析表明,界面主要通过NbC顶端的C原子和Nb原子与相邻的体心Fe原子以共价键方式结合,使NbC/α-Fe界面体系在(110)面的结合能力增强,而NbC本身作为硬质点存在,能够阻止滑移进行,最终起到沉淀强化的作用。     

包晶Nd-Fe-B合金定向凝固与形核有关的组织选择

对Nd_(14)Fe_(79)B_7合金进行了定向凝固试验与形核有关的凝固组织形成研究.发现凝固速率为200和500μm/s试样中局部区域有粗大等轴Fe枝晶形成;并且在凝固速率500 μm/s的试样中存在α-Fe枝晶与Nd_2Fe_(14)B枝晶交替生长的带状组织.分析表明,当凝固速率为200μm/s时,定向生长的Fe枝晶界面前沿液相中的温度分布相对于γ-Fe平衡液相线是过冷的;当凝固速率为500μm/s时,Fe枝晶生长界面前沿相对于γ-Fe和Nd_2Fe_(14)B平衡液相线均会产生过冷.理论分析可以解释定向凝固试样中等轴晶和枝晶带状组织的形成.     

高碳Nb-Ti-V系Fe基堆焊层中C/S界面结构

利用SEM和TEM观察、分析了高碳Nb-Ti-V系堆焊层中颗粒碳化物与固溶体基体间的界面(C/S界面)结构.表明:C/S界面洁净,两相间为直接的原子结合,错配度δ=6.1%～8.3%,界面位向关系为:(002)α-Fe//(220)(NbTiV)c;对MM200上的磨损试件观察亦表明,其C/S界面结合强度高,碳化物的脱落极少,堆焊层耐磨性超过美国的MG700.     

CMT法30CrMnSi钢板表面熔敷CuSi3接头组织结构特征

利用CMT(cold metal transfer)技术在30CrMnSi钢板表面熔敷CuSi3;采用背散射、能谱分析及X射线衍射等方法对接头区显微组织及成分进行了研究.结果表明,CMT技术实现了熔敷层与基体的冶金结合,送丝速度为5.0 m/min,焊接速度为17.0 mm/s时,稀释率极低;界面区由Fe3Si化合物、α-Fe及ε-Cu组成.送丝速度较低时,界面结构为Fe3Si/α-Fe ε-Cu/α-Fe,熔敷区出现Fe2Si化合物;提高送丝速度,界面结构为Fe3Si α-Fe ε-Cu/α-Fe ε-Cu,Fe2Si化合物被Fe3Si化合物取代;进一步提高送丝速度,界面结构为α-Fe ε-Cu,弥散分布的球状富铁相聚合成长为星状及大块团状的α-Fe固溶体.送丝速度的变化对熔敷区组织具有显著影响.     

Re及温度对单晶镍基合金晶格常数及错配度的影响

通过对不同状态及不同Re含量单晶镍基合金进行高、低温X射线衍射谱线测定及组织形貌观察,研究Re含量及温度对单晶镍基合金中γ、γ′两相晶格常数及错配度的影响。结果表明:铸态合金中γ、γ′两相有较大的晶格常数及错配度;经完全热处理后,立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,合金中两相的晶格常数及错配度略有减小;长期时效使γ′相粗化后,两相之间出现界面位错,使合金中两相的晶格常数及错配度绝对值增加。随Re含量增加,合金中γ、γ′两相在室温的晶格常数增大,错配度的绝对值减小。与γ′相相比,γ基体相有较大的膨胀系数,因此,随温度提高,合金中两相晶格错配度的绝对值增大。     

Y1.7Er0.3Fe17快淬带的结构和磁熵变

采用熔体快淬法（铜辊速度为20 m/s）制备Y1.7Er0.3Fe17快淬带,通过X射线衍射仪、振动样品磁强计（VSM）和三维原子探针（3DAP）对样品的晶体结构、磁熵变和原子在三维空间中分布情况进行研究。结果表明,Y1.7Er0.3Fe17快淬带具有菱方Th2Zn17型结构,与标准PDF卡片（48-1454）相比较,Y2Fe17主相晶胞体积略减小;样品的居里温度在308 K附近,磁场变化为1.5 T,样品的最大磁熵变值为2.10 J·kg-1·K-1;Fe在晶界处含量略有降低,其它区域内,Y、Er和Fe 3种原子均匀分布在三维空间中。     

新型Ni-Co基高温合金中平衡析出相的热力学研究

利用热力学计算软件JMatPro和相应的镍基高温合金数据库,研究了U720Li合金以及在此基础上研发的新型Ni-Co基高温合金的化学成分对平衡相的析出行为、加工性能和γ/γ′晶格错配度的影响.结果表明:Ti/Al值(原子比)的增加提高了合金中γ/γ′相的晶格错配度,γ′析出相的含量随Ti+Al含量(原子分数)的增加而增加.因此,增加Ti/Al值和Ti+Al含量能提高合金的高温强度.Co含量的升高可以拓宽合金的加工窗口,改善合金的加工能力,并且还可以增加合金γ/γ′相的晶格错配度,提高合金错配强化的效果.同时,Ti/Al值的增加促进合金中η相析出,而Co含量的增加具有抑制η相的效果.因此,在Co含量较高的Ni-Co基高温合金中,适当提高Ti含量,增加Ti/Al值对提高合金高温强度有利.     

(Ti,Me)C-Fe金属陶瓷界面电子结构与性能的关系

根据固体与分子经验电子理论(EET)以及异相界面电子结构模型,系统计算了(Ti,Me)C/Fe系列金属陶瓷界面电子结构(Me=Mo、W、V、Nb、Ta),初步分析了其界面电子结构与界面润湿、金属陶瓷力学性能之间的关系,结果表明:Me的添加使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度增大,界面润湿改善,改善界面润湿的能力从大到小排列为:Mo、W＞Nb、Ta＞V;另外,Me的加入使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度差增大,界面应力增大,有利于陶瓷晶粒的细化和提高界面结合强度,Mo、W添加剂能有效提高TiC/Fe金属陶瓷界面强韧性.     

Mo改善TiC/Fe金属陶瓷界面润湿机理的价电子理论分析

本文以固体与分子经验电子理论(EET)为基础,通过建立添加Mo的TiC/Fe金属陶瓷复合材料的结构模型,计算了Mo的添加对TiC颗粒的包覆相(Ti1-xMox)C价电子结构以及陶瓷相/α-Fe相界面价电子结构的影响。结果发现:Mo的加入使陶瓷相的最强共价键nA增强、陶瓷相与α-Fe相之间界面电子密度增加,有利于α-Fe相对陶瓷相的润湿改善,初步分析了这种微观电子结构的变化与宏观润湿性之间的关系。     

钢/铝异种金属激光焊接Fe/Al界面微合金化的第一性原理研究

实现Fe/Al界面结合是保证钢/铝异种金属激光焊接质量的关键。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过构造Fe/Al界面模型,计算了体系的能量与电子结构,讨论了Co、V、Zn、Sn等元素微合金化在Fe/Al界面处的作用。结果表明:Co、V优先置换界面处的Fe原子,而Zn、Sn优先置换的却是Al原子,Fe/Al界面结合主要是Fe-sd与Al-sp轨道之间杂化以及Fe-Al发生的离子键作用。微合金化使Fe/Al界面的断裂功增加,其增强由大到小的顺序为:Co、V、Zn、Sn。电子态密度、电子占据数以及电子密度的计算结果表明:利于Fe/Al界面结合的主要原因是微合金化导致跨界面Fe-Al之间的成键作用增强。对Co而言,主要是Fe-sd、Al-sp、Co-sd之间存在较强共价键和离子键的复合作用;对V而言,主要是V-dp、Fe-d和Al-p之间的轨道杂化作用;而对Zn和Sn而言,则主要是Fe-Al之间发生的离子键作用。     

合金元素掺杂对γ-Fe磁性影响的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算的方法研究了合金元素掺杂对γ-Fe磁性的影响。四种磁性γ-Fe的稳定性排序为:AFMDAFMNMFM。N/C在γ-Fe中的固溶会导致γ-Fe由AFMD态向FM态转变,即N/C间隙原子导致了γ-Fe晶体内局域形成铁磁性结构。置换合金元素掺杂影响了几种磁性结构γ-Fe(M)的相对能量和稳定性,较高浓度合金元素掺杂会导致γ-Fe(M)稳定的磁性结构的改变或局域内会存在亚稳定磁性结构。     

Al-K2ZrF6反应体系生成Al3Zrp/Al复合材料的界面结构

借助于透射电镜 (TEM )研究了Al K2 ZrF6体系熔体反应生成Al3 Zrp/Al复合材料中Al3 Zr颗粒晶体形貌及Al3 Zr/Al界面结构。结果表明 :原位生成的Al3 Zr颗粒以多面体和长方体为主 ,颗粒晶体表面存在生长小面(facet) ,其晶体为四方结构 ,密排面为 (11- 4- ) ;Al3 Zr/Al界面光滑、洁净 ,无界面反应物。电子衍射图及界面原子排列分析表明 ,Al3 Zr颗粒与Al在界面处存在位向关系 :[2 - 2 - 1]Al3 Zr∥ [10 0 ]Al,(0 12 ) Al3 Zr∥ (11- 0 ) Al,其点阵错配度仅为 10 .87%。此外 ,熔体反应法制备的Al3 Zrp/Al复合材料不仅凝固组织均匀 ,而且具有良好的力学性能。     

钛中α/ω界面的第一性原理计算研究

基于实验观测到的界面位向关系,针对钛中α/ω界面开展了第一性原理密度泛函计算研究。根据α、ω两相不同的表面终端和界面原子配位类型,构建和计算考察了24种可能的α{1-100}/ω{1-100}界面原子模型。结果显示,有5种界面结构在能量上具有相近优势,在钛中可能同时出现,其平均界面能为0.100J/m₂(计入错配应变),或0.029J/m₂(不计入错配应变)。计算结果为后续开展钛及钛合金的相场模拟并揭示其相变机制提供重要依据。     

马氏体相变晶体学的简易矢量分析方法

基于界面错配可以通过一组缺陷松弛的假设, 发展了一种简易矢量分析法来计算界面包含一组缺陷的系统的相变晶体学. 通过该方法可以方便地求解惯习面的取向. 本文运用该方法求解了fcc/bcc系统中经典马氏体表象理论对应的相变晶体学, 所有计算结果与文献报道完全一致. 并根据矢量分析方法求解了满足上述假设条件惯习面取向的一般表达式. 这一结果对系统地研究fcc/bcc中无理取向的惯习面提供了简便的分析工具.     

浸渍/挤压(SiCw+B4Cp)/Mg(AZ91)复合材料的界面特征

用透射电子显微术研究了 (SiCw B4Cp) /Mg(AZ91)复合材料的界面特征。结果表明 :B4Cp/Mg界面区反应生成物混乱 ,而在SiCw/Mg界面区较为规则。SiCw/Mg界面生成了两种反应物 ,其中MgO与SiC具有 180 旋转孪晶关系 ,孪晶面为 { 111} SiC ,MgO,而MgB2 一般以SiC表面一薄层MgO为基底生长成较大且完整的晶形 ,MgB2 与MgO之间的晶体学取向关系为 :(1—11) MgO∥ (0 0 0 1—) MgB2 ,[110 ]MgO∥ [112 —0 ]MgB2 。高分辨观察结合计算机模拟确定了MgO/MgB2 界面有两种原子占位方式 ,一种为界面处有两层Mg原子分别属于两相 ,另一种为界面处只有一层Mg原子为两相共享。此外 ,基体中第二相Mg17(Al,Zn) 12 和未知弥散小颗粒均与基体Mg非共格     

含La2O3奥氏体不锈钢堆焊合金层晶粒细化机制及对其耐腐蚀、磨损性能的影响

目的 通过在超低碳Cr19Ni10不锈钢堆焊合金中加入稀土氧化物La2O3,细化其微观组织,获得力学性能、耐腐蚀性能和耐磨性能等综合性能优良的堆焊合金层。方法 采用添加La2O3的超低碳Cr19Ni10不锈钢焊条制备了四种不锈钢堆焊合金。采用X射线荧光光谱、红外碳硫分析仪和X射线衍射分析仪,对堆焊合金层的元素组成和相组成进行了测定。采用金相显微镜和晶粒度统计软件,对堆焊合金层的微观组织形貌进行观察,并对晶粒度进行了统计分析。采用显微维氏硬度计和纳米压痕仪对堆焊合金层的硬度和杨氏模量进行了测定。采用电化学工作站和CSM摩擦磨损试验机对堆焊合金层的耐腐蚀性能和耐磨性能进行了评价,并且采用白光共聚焦显微镜对磨损后的磨痕形貌和尺寸进行了观察和测定。采用二维晶格错配度理论,对La2O3/γ-Fe界面间的晶格错配关系进行了计算。结果 在堆焊合金层中加入La2O3,随着La2O3加入量的增加,堆焊合金层奥氏体晶粒细化越明显。当La2O3的添加量由0%增加至1.5%时,奥氏体晶粒平均面积由400 μm²减少为210 μm²。堆焊合金层加入La2O3,可以明显提高其力学性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能。当La2O3的添加量由0%增加至1.0%时,堆焊合金层的微观硬度由180HV增加到225HV,宏观硬度由125HBS增加到150HBS,杨氏模量由186 GPa左右增加到217 GPa,腐蚀电位由?0.4 V增加到?0.25 V,磨痕深度由50 μm减小到10 μm。La2O3(001)面和γ-Fe(110)面的二维晶格错配度为8.7%(<12%),说明La2O3可以作为γ-Fe的中等有效异质形核基底,从而细化了堆焊合金层中的奥氏体晶粒。结论 La2O3可以有效地细化奥氏体晶粒,改善堆焊合金层的力学性能,提高其耐腐蚀和耐磨损性能。但是,La2O3加入量存在一个最佳值,当La2O3的加入量为1.0%时,堆焊合金层的综合性能最好。     

Mn对中锰钢α-Fe/γ-Fe界面影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Mn原子进入α-Fe/γ-Fe界面前后的分离功、界面能、电子结构和成键特征等特性进行了分析.结果表明:Mn原子在逆相变过程中倾向于置换奥氏体一侧铁原子,即倾向于向奥氏体扩散,从而使奥氏体的临界形核功减小,临界形核半径减小,形核数量增加,热稳定提高.另外,界面态密度和Millike...     

Hf含量对FGH97合金γ/γ'晶格错配度的影响

采用X射线衍射(XRD)方法测算镍基粉末冶金高温合金FGH97中γ和γ＇相的晶格常数,计算出γ/γ＇晶格错配度.结果表明:γ＇相的晶格常数比γ相的小,错配度为负值.Hf主要存在于γ＇相中,随着合金中Hf加入量的增加,进入γ＇相中Hf的数量增加,使γ＇相的晶格常数逐渐增大,错配度的绝对值逐渐减小.