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不锈钢的点蚀是材料科学中的经典问题之一。前人的研究已经证实MnS夹杂相的溶解会诱发点蚀的形核,我们最近的透射电子显微学实验已确定MnS夹杂相的最初溶解位置。根据这些实验结果,本文利用第一性原理计算方法并结合电化学原理,对不锈钢中MnS夹杂相的溶解位置、溶解形态、溶解机理等问题进行了研究。
通过透射电镜实验,我们已发现MnS夹杂相优先在MnCr2O4纳米八面体颗粒的周围发生溶解。本文利用第一性原理计算准确的算出了MnCr2O4的标准生成焓,并且估算出其标准熵,进而计算出MnCr2O4的电极电位,发现它的电极电位比MnS高很多,当MnCr2O4与MnS相接触时,可能会形成腐蚀微电池,导致其周围的MnS优先发生溶解。
实验还发现不同的MnCr2O4纳米颗粒周围MnS的溶解速率不同。根据电中性原理,MnS阳极溶解反应速率的不同是由于MnCr2O4表面的阴极反应速率差异所造成的。实验证实:MnCr2O4颗粒大多是以八而体形态存在,其外表面为(111)面。MnCr2O4的(111)面可能有金属原子表面和氧原子表面两种类型。第一性原理计算表明:在金属原子表面上,阴极反应可以很容易的进行;在氧原子表面上,阴极反应不能进行。对于实验中观察到的一些不规则的MnCr2O4纳米颗粒,我们计算了(100)和(110)表面上的阴极反应,发现表面金属原子的比例越高,O2分子裂解反应的势垒越低。
MnS的溶解机理是不锈钢点蚀形核中的重要问题。本文利用第一性原理分子动力学以及过渡态搜索方法研究了MnS表面单原子台阶角落处一个Mn离子的溶解过程,发现Mn离子溶解的过程中存在两个过渡态,势垒分别为0.87eV和1.00eV,这表明室温下MnS的溶解是比较困难的,需要靠MnCr2O4对其进行催化或者进行电位极化才能促使它发生较快的溶解。