高碳低合金钢中渗碳体/铁素体界面结构与特性的理论预测及实验验证

采用第一性原理和分子动力学等方法，基于两相及原子间的对应关系构建并优化渗碳体与铁素体"合二为一"的界面结构模型，对高碳低合金钢中渗碳体/铁素体界面的结构与特性包括两相间的取向关系进行理论预测与实验验证，确定渗碳体与铁素体之间的择优取向，综合分析掺杂合金元素类型、含量、应力应变和温度条件对渗碳体/铁素体界面结构性能及其稳定性的影响规律与机理，诠释这些因素与界面性能及其稳定性之间的内在联系，从原子与电子层次揭示渗碳体/铁素体界面处原子的成键特征及合金元素的偏聚规律，从新的角度阐明钢铁材料热处理与加工过程中合金元素添加对渗碳体溶解析出及粗化行为的影响规律和物理本质，为进一步完善与渗碳体/铁素体界面结构和特性相关的物理冶金学基础理论，形成更系统且更具普遍意义的界面结构性能理论研究方法，推进钢铁材料界面、相变与组织性能的理论预测与应用，指导相关产品的实际加工和热处理工艺提供理论依据。

本项目从原子与电子层次系统地研究了合金元素掺杂对渗碳体低指数面的结构及性能的影响规律，预测并解释了合金渗碳体不同面结构性能及表面能之间的差异性，分析了合金元素掺杂与渗碳体各面稳定性之间的内在联系；结合实验测试结果，构建了渗碳体与铁素体界面原子结构模型，分析了合金元素掺杂与界面结构性能变化及成键规律之间的内在联系，预测了界面处合金元素的分布状况及成键特征，从界面能变化角度表征了合金元素类型及数量与界面稳定性之间的本质关系。另外，本项目构建了碳（氮）化钒表面结构及其与铁素体界面原子结构模型，并计算了其表面性能及界面稳定性特征。. 通过本项目研究取得如下主要研究成果，纯渗碳体表面（001）、（010）和（100）结构中最高表面粗糙度及表面定域铁碳结合强度的（001）表面最为稳定，这三个表面能量稳定性的强弱顺序为（001）＞（010）＞（100）；合金元素Cr和Mn分配到渗碳体相的过程中，对于吸附在渗碳体表面积最大的表面（即（001）表面），Cr原子比Mn原子的吸附能力更强，而且最终Cr原子在表面层C原子与表面第一和第二原子层的Feg和Fes原子间的五重空位处，当Cr和Mn原子继续渗透进入渗碳体（001）表面层时，Cr原子比Mn原子具有更强的置换表面层Fe原子的能力；构建了渗碳体与铁素体Fe3C(001)// α-Fe(112)与Fe3C(103)// α-Fe(110)等界面结构模型， Fe3C(001)// α-Fe(112)的理论界面能量略低于Fe3C(103)// α-Fe(110)，合金元素Cr的添加对界面影响较大，提高了渗碳体与铁素体的界面结合强度；在具有不同VC(100)与VN(100)原子层数的VC/α-Fe和VN/α-Fe界面结构中，优化后的平均原子间距都有所减小，越接近界面层的Fe原子产生离域的程度越大，形成Fe-C（或Fe-N）共价键越强。VC(VN)/α-Fe界面结构中，均有跨越界面较强的Fe-V金属键或Fe-C(Fe-N)共价键存在。. 本项目研究成果为建立普遍意义的界面结构性能理论研究方法以及开展其他有关材料界面、相变与组织性能理论预测方面的研究提供了理论支持。