發(fā)布時間：2018-04-24 14:45

  本文選題：球墨鑄鐵 + Si、Ni摻雜　； 參考：《沈陽工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵不需要采用任何熱處理工藝,因此具有生產(chǎn)周期短、節(jié)約能源等優(yōu)點。合金元素是決定鑄態(tài)球墨鑄鐵基體組織的重要因素,通過合金化的深入研究可以在鑄態(tài)得到所要求的鐵素體基體組織。近年來,圍繞Si、Ni影響鑄態(tài)球墨鑄鐵組織及性能的實驗研究較多,但尚缺乏對其微觀作用機理的研究。因此,本課題利用基于密度泛函理論的CASTEP程序,從電子層面研究了Si、Ni對鑄態(tài)球墨鑄鐵基體組織、固溶強化及韌脆轉(zhuǎn)變溫度等方面的影響。在球墨鑄鐵復(fù)合材料中,碳納米管能夠細(xì)化基體組織的晶粒,提高材料的強韌性。但制備過程中碳納米管與鐵基間的潤濕問題難以解決,因此為改善增強體與鑄鐵基體間的結(jié)合性構(gòu)造出Si改性碳納米管結(jié)構(gòu),為進一步提高球墨鑄鐵的力學(xué)性能提供了可能。建立Si、Ni摻雜奧氏體及C在奧氏體、鐵素體中擴散的原子模型,通過計算能量及電子結(jié)構(gòu)分析Si、Ni影響奧氏體共析轉(zhuǎn)變的電子機理。能帶結(jié)構(gòu)分析表明,Si摻雜奧氏體的能帶在費米能級附近較為稀松且Si-Fe原子間的布居數(shù)值較大;而Ni摻雜奧氏體的能帶向費米能級集中且Ni-Fe原子間的布居數(shù)較低。在C原子擴散方面,Si促進了C在摻雜鐵素體、奧氏體中的擴散,而Ni抑制了C在摻雜體系中的擴散。因此,C的擴散能力是Si、Ni影響奧氏體共析轉(zhuǎn)變的主要因素。建立Si、Ni摻雜滲碳體的原子模型,對體系的能帶結(jié)構(gòu)及C原子的配位圖進行分析。結(jié)果表明Si、Ni摻雜滲碳體的能帶結(jié)構(gòu)向費米能級集中,Fe-C原子間共價鍵作用減弱,Fe-Fe原子層間的金屬鍵作用消失,導(dǎo)致滲碳體形核不容易,抑制珠光體的形成。由于含Si滲碳體的穩(wěn)定性很低,滲碳體向外排出的Si原子降低了C原子向奧氏體晶界偏聚的驅(qū)動力,這使得滲碳體的生長受阻。通過計算含Si、Ni鐵素體的彈性常數(shù)分析鐵素體固溶強化的電子機理。研究結(jié)果表明,摻雜固溶體在[100]和[111]方向的抗變形能力減弱,而在[011]方向上的抗變形能力增強,這是因為含Si、Ni鐵素體中原子間得失電子作用方向性明顯,表現(xiàn)為體系的各向異性增大。態(tài)密度圖表明,含Si鐵素體的價電子在低能區(qū)形成較多,穩(wěn)定性優(yōu)于含Ni鐵素體。Ni固溶于鐵素體后p軌道的電子數(shù)增加明顯,固溶體表現(xiàn)出較高的硬度。含Si、Ni鐵素體的楊氏模量和剪切模量均有所增大,B/G值和泊松比相應(yīng)減小,表現(xiàn)為材料的抗拉強度和硬度增大,韌性減小起到固溶強化作用。Si、Ni摻雜鐵素體晶界后原子間共價鍵強度減弱,降低晶界的穩(wěn)定性為脆性摻雜。韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下在鐵素體球墨鑄鐵基體中,位錯運動受到的阻力作用增大,難以發(fā)生塑性變形導(dǎo)致材料的脆化傾向增大,因此從位錯運動角度分析Si、Ni對鐵素體韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。C、Si原子偏聚在完整晶體內(nèi)的環(huán)境敏感鑲嵌能高于偏聚在位錯芯區(qū)的能量,故位錯芯區(qū)能夠形成能量低谷俘獲C、Si原子,而Ni原子在位錯芯區(qū)的偏聚能力較弱。Si在位錯體系中原子的d軌道和p軌道的電子數(shù)增多,s軌道的電子數(shù)減少,這增加了位錯體系的脆性;Ni在位錯體系中Ni、Fe原子間無電荷轉(zhuǎn)移情況,d軌道的失電子情況明顯,整體呈現(xiàn)固溶軟化態(tài)。C原子在含Si位錯芯區(qū)的環(huán)境敏感鑲嵌能大于C、Si單獨在位錯芯區(qū)的能量,故隨溫度降低將會有C單質(zhì)或化合物析出惡化材料的韌性。由于Si、Ni對鐵素體位錯表現(xiàn)出固溶強化和固溶軟化的特性,將分別提高和降低鐵素體的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。利用示波沖擊試驗機和透射電鏡測定鐵素體球墨鑄鐵在不同溫度下的沖擊韌性并觀察斷口處的位錯。實驗結(jié)果表明隨著Si含量的增加鐵素體球墨鑄鐵的沖擊韌性明顯降低,斷口處的位錯發(fā)生明顯的纏結(jié)和釘扎現(xiàn)象,從而驗證了從位錯滑移角度解釋Si降低鐵素體球墨鑄鐵低溫沖擊韌性的電子機理。對鐵素體球墨鑄鐵試樣進行常溫顯微硬度測量及Si元素的X射線能譜分析,結(jié)果表明Si含量越高鐵素體球墨鑄鐵的顯微硬度越大,且Si不易在鐵素體晶界處聚集。實驗現(xiàn)象與計算得到的Si固溶強化鐵素體的電子機理相符合。為提高碳納米管與鐵基間的潤濕性,建立Si改性碳納米管吸附Fe原子模型。Si摻雜碳納米管的Mulliken電荷分布圖表明,電荷由Si原子轉(zhuǎn)移到鄰近的C原子,圍繞Si原子形成了一個活性中心,提高改性碳納米管對Fe原子的吸附能力。布居數(shù)計算結(jié)果表明,Fe-Si原子間布居數(shù)和電荷密度較大成鍵特征顯著,這有利于增強體與基體間結(jié)合性能的提高。對Si改性碳納米管施加變形作用,Fe原子的吸附能對壓縮變形更加敏感。
[Abstract]:In this paper , the influence of Si and Ni on the microstructure and properties of cast nodular cast iron is studied by means of the theory of density functional theory . The results show that the tensile strength and shear modulus of Si and Ni are higher than those in the dislocation core region .

【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG255

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本文編號：1797077