不同赋存状态下稀土对钢力学性能的影响机理研究

【作者】 刘香军； 杨昌桥； 杨吉春； 任慧平；

【机构】 内蒙古科技大学材料与冶金学院；

【摘要】 科学技术日新月异,下游制造业对钢品质要求越发严苛,研发高强韧性、高耐腐蚀性钢种将是未来钢铁材料发展的重要方向。微量稀土的添加便可大幅度提升钢材的综合性能,当前的研究以实验研究为主,理论研究较少,尤其缺乏微观尺度上的认识,致使稀土的作用本质及内在机理不明确,缺少理论指导是发展稀土在钢中广泛应用的最大瓶颈。本文采用理论计算结合实验研究的研究方法探索稀土Ce在钢中作用的微观机理,以Ce在钢中的不同赋存状态,固溶Ce及Ce夹杂物两个维度对钢力学性能展开研究。本文采用模拟计算的方式开展研究,基于密度泛函理论采用第一性原理计算方法,通过溶解能、几何结构、电子结构、Bader电荷等维度来揭示Ce原子在α-Fe中的固溶机理,并对Fe-Ce掺杂体系的力学性能进行详细计算。Ce的掺杂降低了体系的不可压缩性、抗剪切应变能力、刚度以及维氏硬度,但提高了体系的韧性以及可加工性。Ce掺杂导致体系金属键强度降低,这是Fe-Ce掺杂体系不可压缩性、刚性和硬度降低的主要原因;另一方面,Ce的掺杂增加了体系中电子云的密度,这有利于掺杂体系韧性的提高。通过计算Ce夹杂物自身物理化学性质,分析夹杂物对周围钢基体残余应力的影响。TiN、Al2O3夹杂物的体积模量、剪切模量、杨氏模量以及维氏硬度较大,呈现出较大的刚性和硬度,表现为脆性特征,而Ce2O3和Ce2O2S夹杂物表现为韧性特征。与Al2O3和Ti N相比,Ce2O3、CeAlO3夹杂的热膨胀系数与铁基体接近,而Ce2O2S夹杂物的热膨胀系数比铁基体稍大。Ce夹杂物与基体在不可压缩性、刚性、硬度、韧脆性及热膨胀性等方面的差异较小,钢基体塑性变形的一致性得到提升,有利于延缓微孔洞微裂纹的萌生,有助于钢材力学性能的提高。更多还原