杂质元素对fcc铁晶界力学性能影响的第一性原理研究

作     者：刘梦迪 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：陈长风

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：γ-Fe晶界 氢原子 铬原子 第一性原理计算 晶界脆化 

摘      要：氢环境中金属材料在服役条件下往往会发生沿晶开裂,从而导致金属材料的力学性能降低,发生脆性断裂,也称氢脆。而目前,氢原子促使晶界开裂从而降低材料塑性的机制仍然不够明确。因此,从原子尺度上揭示氢致晶界脆化的机制,对氢致沿晶开裂的预防是十分有必要的。本文采用第一性原理拉伸试验方法研究了氢原子对晶界拉伸变形行为的影响,讨论了氢原子与晶界原子的相互作用,并在此基础上揭示了氢致晶界脆化机制。计算结果表明氢原子导致晶界脆化的原因主要是氢原子吸引了邻近铁原子的电子,使得铁原子之间的电子密度减小,键合作用减弱,从而降低了晶界的结合力。在此基础上,本文研究了铬和氢共同偏析时晶界在拉伸应变条件下的响应,探究了铬原子对氢致晶界开裂的作用机制。铬与氢原子同时存在时,氢原子在晶界偏析时吸引了邻近铁原子周围的电子,呈典型的离子键特征,使得其近邻处Fe-Fe之间的电子密度减小,相互作用力减弱。而铬原子与邻近的铁原子形成较强的键合作用,使晶界处Fe-Fe键进一步被弱化。而随着应变的不断增加,Fe-Fe键发生断裂,Fe-Cr原子间作用力迅速弱化,不足以补偿Fe-Fe键断裂产生的局部应力,从而晶界发生断裂,因此铬和氢的共偏析使晶间断裂提前发生。