合金化元素Nb在铁γ相中的占位倾向及对晶界的影响.pdfVIP

( E 辑) 第33 卷 第 1 期 SCIENCE IN CHINA ( Series E ) 2003 年 1 月 合金化元素Nb 在铁g 相中的占位倾向 及对晶界的影响* 尚家香 赵栋梁 王崇愚 ** ( 钢铁研究总院功能材料研究所, 北京 100081; 清华大学物理系, 北京 100084 ) 摘要 利用密度泛函理论框架下的离散变分DV 和DMol 方法, 根据单杂质固溶模 型和结构缺陷复合模型, 研究了微合金化元素Nb 在铁 相中的作用. 分别计算了合金 化元素Nb 在晶体内 晶界和表面的杂质形成能, 结果表明: 与在体内占位相比, 晶界 更适合Nb 元素占据. Nb 在晶界和在表面上的杂质形成能之差为0.39 eV 0 , 根据 Rice-Wang 热力学模型可以判定, Nb 在铁相中可增强晶界结合. 原子间相互作用能和 电荷密度计算表明, 当Nb 原子占据晶界位置时, Nb 与周围的相互作用减弱, 距Nb 原 子较近的跨晶界的基体原子间的相互作用加强, 从而使得晶界迁移变得困难, 在电子 层次解释了Nb 在铁相晶界上的拖拽作用. 关键词 铁 合金化元素 第1 原理 强化 晶界 微合金钢是近年来高强度低合金钢(HSLA)发展的一项重要突破. 加入微合金化元素, 与 控轧控冷技术相结合可使HSLA 钢的强度 塑性及韧性达到相当好的配合. 微合金钢突破了传统的合金化观念, 已不再是单纯依靠增加钢中的合金元素含量来改善 钢的性能, 而是通过特殊工艺来实现的. 在所有材料强化手段中, 只有细化晶粒具有双重意义, 既可增加强度, 又可提高韧性. 微合金钢正是基于此来达到强韧性的结合的. 最主要的微合金 化元素有Nb , Ti, V , Al 和B, 效果最显著的是Nb . 世界上铌的消费量由20 世纪50 年代的每 年450 t 增至目前的每年24000 t, 其中近一半用于低合金高强度钢的生产. 因此, 研究Nb 在 钢中的作用具有重要的意义. [1~12] 有关微合金化元素的作用从实验和理论方面的研究很多 , 但大多是集中在微合金元 素的溶解 析出以及形成碳氮化合物对奥氏体回复 再结晶的影响, 而对合金化元素的偏聚 规律研究的很少, 第 1 原理计算方面的报道就更少. 本文的主要目的就是利用密度泛函理论 [13~18] [18,19] 下的离散变分(DV)方法 和 DMol 方法, 从电子层次来研究合金化元素 Nb 在铁相中的作 用. 首先确定 Nb 的占位倾向( 晶内 晶界), 然后讨论其在优先占位的方式下的作用, 以及从 微观的角度来讨论Nb 对材料宏观力学性能的影响. 1 理论方法和模型 离散变分(DV)方法[ 13~18]是密度泛函理论框架下的一种数值计算方法, 已成功地应用于金 2000-10-23 收稿, 2001-01-08 收修改稿 * 国家自然科学基金(批准号:和国家重大基础研究(批准号: G2000067102)资助项目 ** E-mail: cywang@public.bta.net.cn 20 中