【摘 要】
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超级奥氏体不锈钢具有优越的耐腐蚀性能,被广泛应用于烟气脱硫、垃圾焚烧、海水淡化以及石油化工等领域。对于Mo含量达6～7%的高钼超级奥氏体不锈钢,在某些情况下可与具有极佳耐蚀性的C276等铁镍基合金以及钛合金相媲美。在此基础上,为了使奥氏体不锈钢具有更加优异的力学性能,析出强化是最有效的一种强化方式,通过弥散分布的析出相可显著提高材料的屈服强度与抗拉强度。目前,围绕合金元素尤其Mo在Nb C/fcc
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超级奥氏体不锈钢具有优越的耐腐蚀性能,被广泛应用于烟气脱硫、垃圾焚烧、海水淡化以及石油化工等领域。对于Mo含量达6～7%的高钼超级奥氏体不锈钢,在某些情况下可与具有极佳耐蚀性的C276等铁镍基合金以及钛合金相媲美。在此基础上,为了使奥氏体不锈钢具有更加优异的力学性能,析出强化是最有效的一种强化方式,通过弥散分布的析出相可显著提高材料的屈服强度与抗拉强度。目前,围绕合金元素尤其Mo在Nb C/fcc-Fe界面偏析行为的研究还很少,Mo为易偏析元素,极易形成σ相,其如若析出于Nb C/fcc-Fe界面,对于超级奥氏体不锈钢是不利的。相关研究表明σ相的大量析出导致钢材在后续的热加工过程中容易开裂,造成性能受损。在相关研究中通过加入微量的硼元素来调控晶界,使得合金元素分布更加合理,改善材料的性能。如果在超级奥氏体钢中加入一定量的碳化物形成元素,势必会形成碳化物与奥氏体的相界,那么,合金元素在这个相界的偏析行为就显得尤为重要。本文采用第一性原理计算方法,搭建了Nb C/fcc-Fe界面及Nb N/fcc-Fe界面模型,从原子层次系统地研究了合金元素在Nb C/fcc-Fe界面及Nb N/fcc-Fe界面的偏析行为,通过偏析能、格里菲斯断裂功、电荷密度、差分电荷密度和态密度分析了合金元素偏析对相界面稳定性及结合强度的影响。同时,研究了硼对合金元素在Nb C/fcc-Fe界面及Nb N/fcc-Fe界面偏析行为的影响。计算结果表明:在Nb C/fcc-Fe界面,Si不发生偏析,均匀分布在Fe基体中;Cu、Ni、Mn在界面处存在轻微偏析;Mo、Cr在界面处发生偏析,且存在进一步向碳化物种偏析的倾向。合金元素Mn、Mo、Cr在界面偏析后界面的格里菲斯断裂功、原子间的电荷密度分布以及电荷转移明显降低,表明Mn、Mo、Cr界面偏析降低了界面的结合能力。此外,Mo、Cr界面偏析不利于材料的耐腐蚀性能。因此,在界面处掺杂B元素,研究B对合金元素界面偏析行为的影响。计算结果表明:B抑制了Cu、Ni、Mn在界面处的轻微偏析,并且抑制合金元素Mo、Cr的偏析,尤其是在界面处的偏析,但是Mo、Cr仍存在向Nb C中偏析的倾向。针对Mo进一步向Nb C中偏析的倾向,分析了复合的铌钼碳化物的相关性质,研究表明:随Mo含量的加入,复合碳化物形成能逐渐增加,难以形成;但界面结合能力也逐渐增大,当Mo含量达到40%时,界面结合能达到最大值,随后逐渐减小。此外,界面处添加B后界面的格里菲斯断裂功、原子间的电荷密度分布以及电荷转移明显增大,表明界面的结合强度显著增加;合金元素Mo偏析到界面时界面的结合强度也显著增加。
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