本文選題：球墨鑄鐵 + Si、Ni摻雜�。� 參考：《沈陽(yáng)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(diǎn)。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(guò)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(lái),圍繞Si、Ni影響鑄態(tài)球墨鑄鐵組織及性能的實(shí)驗(yàn)研究較多,但尚缺乏對(duì)其微觀作用機(jī)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(duì)鑄態(tài)球墨鑄鐵基體組織、固溶強(qiáng)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(qiáng)韌性。但制備過(guò)程中碳納米管與鐵基間的潤(rùn)濕問(wèn)題難以解決,因此為改善增強(qiáng)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(jìn)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(kuò)散的原子模型,通過(guò)計(jì)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(jī)理。能帶結(jié)構(gòu)分析表明,Si摻雜奧氏體的能帶在費(fèi)米能級(jí)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(fèi)米能級(jí)集中且Ni-Fe原子間的布居數(shù)較低。在C原子擴(kuò)散方面,Si促進(jìn)了C在摻雜鐵素體、奧氏體中的擴(kuò)散,而Ni抑制了C在摻雜體系中的擴(kuò)散。因此,C的擴(kuò)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(duì)體系的能帶結(jié)構(gòu)及C原子的配位圖進(jìn)行分析。結(jié)果表明Si、Ni摻雜滲碳體的能帶結(jié)構(gòu)向費(fèi)米能級(jí)集中,Fe-C原子間共價(jià)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(dòng)力,這使得滲碳體的生長(zhǎng)受阻。通過(guò)計(jì)算含Si、Ni鐵素體的彈性常數(shù)分析鐵素體固溶強(qiáng)化的電子機(jī)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(qiáng),這是因?yàn)楹琒i、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(jià)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(qiáng)度和硬度增大,韌性減小起到固溶強(qiáng)化作用。Si、Ni摻雜鐵素體晶界后原子間共價(jià)鍵強(qiáng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)角度分析Si、Ni對(duì)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(cuò)芯區(qū)的能量,故位錯(cuò)芯區(qū)能夠形成能量低谷俘獲C、Si原子,而Ni原子在位錯(cuò)芯區(qū)的偏聚能力較弱。Si在位錯(cuò)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(cuò)體系的脆性;Ni在位錯(cuò)體系中Ni、Fe原子間無(wú)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(cuò)芯區(qū)的環(huán)境敏感鑲嵌能大于C、Si單獨(dú)在位錯(cuò)芯區(qū)的能量,故隨溫度降低將會(huì)有C單質(zhì)或化合物析出惡化材料的韌性。由于Si、Ni對(duì)鐵素體位錯(cuò)表現(xiàn)出固溶強(qiáng)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(yàn)機(jī)和透射電鏡測(cè)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(cuò)。實(shí)驗(yàn)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(cuò)發(fā)生明顯的纏結(jié)和釘扎現(xiàn)象,從而驗(yàn)證了從位錯(cuò)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(jī)理。對(duì)鐵素體球墨鑄鐵試樣進(jìn)行常溫顯微硬度測(cè)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與計(jì)算得到的Si固溶強(qiáng)化鐵素體的電子機(jī)理相符合。為提高碳納米管與鐵基間的潤(rùn)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(gè)活性中心,提高改性碳納米管對(duì)Fe原子的吸附能力。布居數(shù)計(jì)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(qiáng)體與基體間結(jié)合性能的提高。對(duì)Si改性碳納米管施加變形作用,Fe原子的吸附能對(duì)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(yáng)工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG255

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