Fe-Mn-C合金的试验与分子动力学模拟研究

论文摘要

Fe-Mn-C合金由于其较高的强度和塑性以及较好的耐磨性,在许多行业中有着重要的应用,然而,迄今为止,对Fe-Mn-C合金的结构与性能的宏观和微观机理研究尚没有统一的结论。本文从实验和计算模拟对其进行了研究。由于模拟体系与实验材料存在差异,在实验方面,对Fe-Mn-C合金中的高锰钢为研究对象,利用透射电镜,原子力显微镜等测试方法,对不同形变量的高锰钢组织演变的晶体学机制及磨损规律进行了分析。在模拟计算方面,采用“Material Studio”材料计算中的CASTEP子模块程序,以Fe-Mn-C系合金为研究对象,对随着Mn,C含量的变化,Fe-Mn-C系合金性能的变化规律进行了理论预测,为该合金的进一步研究提供理论依据。研究结果表明:1)在较小形变量情况下,组织中开始出现很多平直的变形带以及孪生变形,位错组态表现为平直的条带;随着形变量的增加,组织中孪晶的数量明显增多,当形变量达到一定程度后,组织中孪晶的数量增加速率开始下降,孪晶内出现少量的次生孪晶。2)形变量小于20%时,经冷轧的高锰钢随着形变量的增加,其耐磨性能也随之增加,这是因为深度冷轧的高锰钢表面形成的高密度位错及孪晶组织能有效阻止磨损表面的脆性剥落,同时,高锰钢良好的心部韧性也将减少其磨损过程中的疲劳剥落;形变量大于20%时,随着形变量的增加,耐磨性降低,这是由于随着形变量增加高锰钢表面在形成高密度位错及孪晶组织的同时,使裂纹逐渐形成和扩展,这在一定程度上会使其耐磨性下降。3)随着Mn含量增加,弹性系数C1 1增大, C1 2和C 44减小,体弹性模量B和剪切弹性模量G随着C,Mn含量的增加都有所增加。Fe-Mn-C合金的层错能较低,并且随着Mn含量的增加层错能增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 国内外耐磨材料的发展概况
• 1.1.1 国内发展概况
• 1.1.2 国外发展概况
• 1.2 国内外分子动力学的发展概况
• 1.2.1 国内发展概况
• 1.2.2 国外发展概况
• 1.3 高锰钢加工硬化机理研究现状
• 1.4 奥氏体耐磨钢的特点及应用
• 1.5 高锰钢耐磨性能改善措施
• 1.6 计算机模拟简介
• 1.6.1 计算机模拟的定义
• 1.6.2 计算机模拟的方法
• 1.6.3 计算机模拟的步骤
• 1.6.4 计算机模拟的改进
• 1.7 研究的主要内容
• 2 理论分析
• 2.1 分子动力学模拟的实现
• 2.1.1 构建物理模型
• 2.1.2 周期性边界条件
• 2.2 第一性原理计算
• 2.3 密度泛函理论
• 2.4 局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）
• 2.5 CASTP 任务
• 2.5.1 CASTEP 能量任务
• 2.5.2 CASTEP 几何优化任务
• 2.5.3 CASTEP 性质任务
• 3 实验选材及方法
• 3.1 实验材料
• 3.2 透射电镜及电子衍射实验
• 3.3 磨擦磨损及原子力显微镜实验
• 4 高锰钢的演变晶体学和磨损机制
• 4.1 轧制高锰钢组织的TEM 观察
• 4.1.1 形变量对高锰钢组织的影响
• 4.1.2 高锰钢晶体结构标定
• 4.2 轧制高锰钢磨损特性
• 4.3 轧制高锰钢磨损形貌
• 5 Fe-Mn-C 合金的微观模拟
• 5.1 Fe-Mn-C 原子团偏聚的微观结构
• 5.2 晶胞组成介绍
• 5.3 计算方法和计算过程
• 5.3.1 建模方法及理论模型
• 5.3.2 计算方法
• 5.3.3 优化过程
• 5.3.4 优化结果
• 5.4 γ -Fe 的弹性系数的计算
• 5.4.1 模型及计算方法
• 5.4.2 结果及讨论
• 5.4.3 赝势平面波CASTEP 计算结果及讨论
• 5.5 Fe-Mn-C 系合金的弹性系数的计算
• 5.5.1 模型及计算方法
• 5.5.2 结果及讨论
• 5.6 层错能的计算
• 5.6.1 层错能形成机理
• 5.6.2 层错模型及计算方法
• 5.6.3 计算结果及讨论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集