α-Fe中氢与碳化物相互作用的第一性原理研究.pdf
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1、第卷第期上海金属,年月,作 者 简 介:黄 剑 新,男,硕 士,主 要 从 事 第 一 性 原 理 计 算,:通 信 作 者:王 昊,男,博 士,副 教 授,主 要 从 事 第 一 性 原 理 计 算,:中 氢 与 碳 化 物 相 互 作 用 的 第 一 性 原 理 研 究黄 剑 新王昊(上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院,上 海)【摘 要】为 深 入 理 解 氢 脆 机 制,通 过 广 泛 的 第 一 性 原 理 计 算 研 究 了中 碳 化 物(、和)内的 扩 散 和 捕 获。比 较 了 不 同 界 面(共 格、半 共 格 和 非 共 格)处 的捕 获 行 为,发 现 共
2、格 界 面 捕 获原 子 的 能 力 最 弱。最 后,通 过 比 较 得 出 半 共 格 界 面 处 碳 化 物 捕 获能 力 的 大 小 顺 序 为 。【关 键 词】陷 阱,界 面,第 一 性 原 理,偏 析 能,碳 化 物中 图 分 类 号:文 章 编 号:()(,)【】,(,)(,),【】,钢 在 工 业 应 用 中 的 扩 张 在 提 高 强 度 要 求 和 微观 结 构 复 杂 性 以 及 钢 对 氢 脆(,)的 敏 感 性 之 间 遇 到 了 两 难 境地。到 目 前 为 止,许 多 研 究 试 图 探 索机制,并 为 提 高 抗 氢 脆 性 能 提 供 了 方 向。研 究得 出,
3、基 体 中 的原 子 会 扩 散 并 累 积 到 应 变区 域 和 晶 体 缺 陷 处,这 会 增 加 位 错 的 迁 移 率 或 削弱 晶 界 的 结 合 强 度,最 终 导 致 材 料 断 裂。先 进 高强 度 钢 在 生 产 和 使 用 中 不 可 避 免 地 接 触 到,即使浓 度 只 有 几 也 会 引 起 材 料 性 能 恶 化,因 此 提 高 抗 氢 脆 性 能 的 一 种 方 法 是 引 入 足 够 量 的有 效陷 阱。研 究 发 现,虽 然 钢 基 体 中 的 空 位 和 位 错 可以 捕 获原 子,但 与原 子 的 结 合 较 弱,导 致容 易 脱 离,称 为 可 逆 陷
4、阱。众 多 研 究 表明,钢 中 均 匀 分 布 的 碳 化 物 沉 淀 如、和不 仅 可 以 诱 导 沉 淀 强 化,而 且 可 以 提高 钢 的 抗 氢 脆 性 能。此 外,观 察 发 现,大多 数原 子 位 于 片 状 沉 淀 物 的 扩 展 基 底 界 面上。因 此 推 测,抗 氢 脆 性 能 的 提 高 归 因 于析 出 物 内 部 或 析 出 物 与 钢 基 体 之 间 界 面 的 捕获 位 点。然 而,对 于原 子 的 特 定 捕 获 位 点 仍有 待 更 深 入 的 研 究。等 通 过 原 子 探 针 层 析(上海金属第卷,)发 现,沉 淀 的 失 配 位 错 核心和沉 淀 界
5、 面 上 的空 位是 主 要 的陷 阱 位 点;其 中,通 过 热 解 吸 光 谱(,)测 得空 位 的 捕 获能 为 。等的 研 究 表 明,捕 获的 能 力 取 决 于 其 有 效 表 面 积。而和将 捕 获 的原 子 量 与 沉 淀 物 的 体 积 相关 联,发 现 与 它 们 的 有 效 表 面 积 无 关。等通 过测 得 了对的 捕 获 能 为 ,而等报 道 的 捕 获 能 为 。等通 过研 究 发 现,种 具 有 半 共格 界 面 的 碳 化 物 捕 获原 子 的 能 力 大 小 顺 序 为 。采 用虽 然 可 以 观 察 碳 化 物捕 获的 行 为,但 不 能 提 供 具 体 捕
6、 获 位 点 的 直 接证 据。此 外,通 过对捕 获 能 的 研 究 只 能 提供 间 接 能 量 信 息。为 解 决 上 述 问 题,采 用 原 子 模 拟 方 法 可 以 深入 了 解扩 散 和 捕 获 的 微 观 机 制。基 于 密 度 泛函 理 论(,)的 第 一 性原 理 计 算 是 一 种 非 常 可 靠 的 方 法,可 应 用 于 不 同的 材 料。等使 用 第 一 性 原 理 计 算 了在 有或 没 有空 位 的 各 种 碳 化 物 和 氮 化 物 中 的 溶 解能。等模 拟 了 界 面 的取 向 并 计 算 了 其捕 获 能。等模 拟 了 不 同 的 界 面(共 格、半 共
7、 格 和非 共 格)并 计 算 了 可 能 捕 获原 子 的 多 个 位 置,并 推 测 由 于 岩 盐 结 构 相 同,、和应 该具 有 相 似 的 结 论。然 而 目 前 对 这种 碳 化 物 的 捕获 位 置 和 性 质 的 定 量 研 究 还 比 较 滞 后,相 关 数 据还 比 较 缺 乏。本 文 对基 体()与 上 述种 碳 化 物(沉 淀)的 界 面 进 行 建 模,并 通 过 第 一 性 原 理 研 究陷 阱 特 性,根 据 计 算 结 果 获 得 了在 相 应 捕 获位 点 的 偏 析 能。计 算 方 法 理 论 方 法通 过 大 量 试 验 可 知,具 有 岩 盐 状 面
8、心 立 方 结构 的 碳 化 物(,)与基 体 存在种 不 同 的 界 面:共 格、半 共 格 和 非 共 格。随 着尺 寸 的 增 大,其 与 基 体 之 间 的 共 格 性 也 逐 渐消 失,界 面 由 共 格 转 变 为 非 共 格,失 配 位 错 出 现 在()()平 面。其 中,共 格 和 半 共 格界 面 具 有()()和 的()取 向 关 系。然 而,对 于 非共 格 界 面,目 前 还 没 有 相 关 试 验 得 出 明 确 的 取 向关 系,因 此 本 文 不 考 虑 非 共 格 界 面。共 格 界 面 的 特 点 是 界 面 上 原 子 平 面 的 完 美 重合,因 此 可
9、 以 用 小 型 超 胞 模 型 表 示 该 系 统。而 在图所 示 的 半 共 格 界 面 情 况 下,累 积 的 弹 性 应 力通 过 形 成 失 配 位 错 来 释 放,失 配 位 错 之 间 的 间 距通 常 为 几 纳 米,导 致 模 型 过 大。但 是 半 共 格 界 面可 近 似 地 分 成 宽 的 共 格 区 域,这 些 区 域 被 包 含 失配 位 错 核 心 的 相 对 狭 窄 区 域 周 期 性 地 打 断,其中 的 长 程 应 变 场(实 线 和 虚 线 之 间 的 区 域)在 该近 似 中 可 被 忽 略。图半 共 格 界 面 示 意 图(实 线 是 位 错 核 心,
10、实 线和 虚 线 之 间 的 区 域 表 示 失 配 程 度 逐 渐 增 加;区域 是 完 美 共 格 界 面,区 域 是 失 配 位 错 的 核 心,区 域 是 两 个 垂 直 位 错 的 交 结 处)(,;,)计 算 细 节本 文 所 有计 算 都 在 从 头 计 算 软 件 包()中 完 成。投 影 增 强 波(,)方 法 用 于 描 述 离 子 和 电 子 之 间 的 相 互 作用,交 换 关 联 泛 函 由 广 义 梯 度 近 似(,)表 示。考 虑 到 系统 的 磁 性,所 有 计 算 均 使 用 自 旋 极 化 进 行。电 子第期黄 剑 新 等:中 氢 与 碳 化 物 相 互 作
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- 关 键 词:
- Fe 碳化物 相互作用 第一性 原理 研究