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合金钢的设计

含铌合金钢的设计
    从材料学基本原理来看,只有选择适当的强化方式,才能在获得高强度同时也具有高韧性。高强度钢的破坏形式,就是断裂。为此,从晶界是材料的薄弱环节着眼,通过计算添加元素或杂质元素原子在晶界表面的偏聚自由能来判断和预测材料的韧脆性质。

合金钢

                                                                                                                          相结构因子和界面结合因子在合金钢设计中的应用框图

相结构因子和界面结合因子在合金钢设计中的应用框图

含铌合金钢的设计单位

国内钢铁研究总院(CISRI)等单位,由宏观和介观合金设计转入微合金设计的领域,利用量子力学第一原理进行微合金钢的合金设计。相结构因子和界面结合因子在合金设计中的应用如上图所示。

含铌合金钢的设计试验
    试验探明了掺 P 和掺 N 的晶界,表面的偏聚能之差分别为 1.0.3eV 和-0.99eV,P 趋向于减弱晶界结合,促使晶界分离,是脆性元素;N 则增强晶界结合,是韧性元素,下图为团簇中间原子层的差分电荷密度。


    通过团簇中间原子层的差分电荷密度图。差分电荷密度定义为掺杂晶界电荷密度与纯晶界电荷密度和自由杂质原子电荷密度之差,左为掺 P 晶界,右为掺 N 晶界。其中空心圆圈表示 Fe 原子,粗线表示得到电子,细线表示失去电子,线间隔为 0.007e/A3。                                                                                                                     

能量(eV) 能量界    结合能 掺晶界   结合能 晶界质    偏聚能 完整体     结合能 掺杂体      结合能 晶体杂质    形成能
掺Nb -382.50 -389.60 -7.10 -453.73 -458.21 -4.48
掺V -382.50 -384.85 -2.35 -453.73 -454.69 -0.96


    通过计算还得到了 Nb 和 V 在 fcc Fe 晶界的偏聚能,见上表。在奥氏体内,Nb 既可存在于晶内,也可存在于晶界,但会优先占据晶界,V 也有择优在晶界上的趋势,从能量的角度来看,将使奥氏体出现更多的界面。结果还表明 Nb 比 V 的细化效果更佳。这一方面的研究,使含铌微合金钢的开发建立在更扎实的理论基础之上。

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