Cr原子对MC碳化物稳定性及力学性能的第一性原理研究

##1.前言 轴承钢具有高强度、抗疲劳性能及良好的耐磨性被广泛应用于精密设备、风力发电、高速铁路及航空航天等战略新兴产业[1-5]。轴承关键部件一般要求具有 107 次以上的超长接触疲劳寿命,有研究表明,当轴承钢疲劳寿命高于 107 以上时,轴承钢中碳化物的微观物理性质将决定轴承的疲劳寿命[6-7]。在轴承钢凝固过程中,研究学者们对碳化物析出行为进行深入研究。其中,Du等人[8]基于热力学计算和试验表征对M50轴承钢凝固过程中初生碳化物特征及析出机理进行系统研究,研究表明,由于凝固过程溶质富集的现象,富V的FCC结构的MC初生碳化物和富Mo的HCP结构的M2C初生碳化物成核于奥氏体边界,其中MC呈块状;M2C 碳化物呈细长交织的条状。Jiang等人[9]对 GCr15 轴承钢初生碳化物析出行为进行原位试验观察,由试验得出:初生碳化物析出于凝固末期,并最终分布于溶质富集区,随着冷却速率的加快,初生碳化物尺寸减小,稳定性减弱。同时,Yu等人[10]利用合金化处理技术对碳化物稳定性进行改进,当M23C6碳化物中掺杂Nb元素可有效提高其物相稳定性,使M23C6 碳化物尺寸减小。虽然通过热力学计算和试验手段可知轴承钢初生碳化物的析出时机、形貌变化以及碳化物稳定性的宏观特征,但无法得知碳化物形成过程中由于溶质元素的掺杂对碳化物演变机理的影响规律,更无法明晰溶质元素掺杂对碳化物稳定性及力学性能的影响规律,由此可见,通过试验手段仍无法全面解析碳化物演变过程中力学性能的变化规律。因此,本文基于密度泛函理论利用Materials Studio软件对MC碳化物的稳定性和力学性能进行第一性原理研究,从形成能、弹性常数以及电子特性等微观性质方面解析Cr原子对MC碳化物稳定性和力学性能的影响关系。