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2Cr13钢等离子体低温渗氮层组织与性能研究

作　者: 闫姝
导　师: 闫牧夫
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 2Cr13钢 过饱和含氮马氏体 第一性原理 组织性能
分类号: TG156.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文通过理论计算制定了合适的等离子体渗氮处理工艺，在2Cr13钢表面获得了超细化含氮马氏体组织，提高了其表面力学性能。理论计算以第一性原理为基础，结合热力学计算，研究了含氮马氏体的结构稳定性并预测了其力学性能，揭示了其形成可能性。为验证理论计算的结果，在低温低氮氢流量比的条件下对固溶处理后的2Cr13钢进行了渗氮处理。采用X射线衍射仪分析了了渗层相组成，并利用金相显微镜和透射电镜观察了渗层显微组织。第一性原理计算表明，含氮马氏体Fe14Cr2Nx（x=0，2，4，6）晶格因氮原子的加入产生很大膨胀，点阵类型趋向于向体心正方结构转变，结合能均为负，结构稳定性随着氮含量增加而下降，硬度因氮原子加入得到提高。热力学计算表明，在低温（400C460C）区间，含氮马氏体相的Gibbs自由能随着氮含量、铬含量的增加和温度的升高而下降；固溶铬后的低氮马氏体的热力学较为稳定。渗氮处理结果表明，2Cr13钢低温（400C460C）等离子体渗氮氮氢流量比为0.05:0.4（L/min）时较佳，表面层为超细化的含氮马氏体组织，渗层厚度随温度升高而增加；460C时随着处理时间的延长，表层中′-Fe4N和ε-Fe23N相含量增多，′-Fe4N相存在（200）晶面择优取向。560C和590C氮氢比0.05:0.4（L/min）时表面层出现少量CrN相。渗氮处理后磨损率降低，摩擦系数由0.5降低至0.45，耐磨性提高。400C渗氮处理后磨痕较窄，磨损率低，为1.75×10-5(mm3·（N·m）-1)，表面的纳米硬度和弹性模量分别提高到11.078GPa和279.736GPa，验证了理论计算结果。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-24
  1.1 研究背景  9
  1.2 离子渗氮研究现状和发展趋势  9-17
    1.2.1 离子渗氮概况  9-10
    1.2.2 离子渗氮机理  10-14
    1.2.3 不锈钢渗氮研究进展  14-17
  1.3 材料组织细化研究现状及进展  17
  1.4 第一性原理方法  17-22
    1.4.1 密度泛函理论  18-19
    1.4.2 交换关联势  19-20
    1.4.3 第一性原理在材料学中的应用  20-22
  1.5 研究目的及内容  22-24
    1.5.1 研究目的  22
    1.5.2 研究内容  22-24
第2章 试验材料与试验方法  24-29
  2.1 试验材料  24
  2.2 试验设备  24-25
  2.3 试验方案  25-27
    2.3.1 固溶处理方案  25
    2.3.2 氮氢比对等离子体渗氮影响  25-26
    2.3.3 温度对等离子体渗氮影响  26
    2.3.4 时间对等离子体渗氮的影响  26-27
  2.4 渗氮层组织观察与结构分析  27
    2.4.1 金相组织观察  27
    2.4.2 X 射线结构分析  27
    2.4.3 透射电镜观察  27
  2.5 渗氮层性能分析测试  27-28
    2.5.1 显微硬度测试  27-28
    2.5.2 纳米硬度测试  28
    2.5.3 磨损性能测试  28
  2.6 第一性原理计算  28-29
第3章 过饱和含氮马氏体结构稳定性第一性原理计算  29-45
  3.1 计算模型及方法  29-32
    3.1.1 计算方法  29
    3.1.2 计算模型  29-32
  3.2 Fe_(14)Cr_2N_x结构稳定性分析  32-33
  3.3 Fe_(14)Cr_2N_x电子结构分析  33-41
    3.3.1 态密度分析  33-38
    3.3.2 差分电荷密度分析  38
    3.3.3 集居数分析  38-41
  3.4 弹性和硬度性质  41-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章 过饱和含氮马氏体相热力学稳定性计算  45-51
  4.1 引言  45-46
  4.2 计算模型及方法  46-47
  4.3 N 元素含量与 Fe-Cr-N 自由能关系  47-48
  4.4 Cr 元素含量与 Fe-Cr-N 自由能关系  48-49
  4.5 反应自由能变化与温度关系  49-50
  4.6 本章小结  50-51
第5章 2Cr13 钢离子渗氮层组织结构及性能实验验证  51-70
  5.1 渗层组织结构分析  51-59
    5.1.1 固溶处理方案  51-52
    5.1.2 氮氢比对渗氮层组织影响  52-53
    5.1.3 温度对渗氮层组织影响  53-54
    5.1.4 时间对渗氮层组织影响  54-55
    5.1.5 渗氮层相结构分析  55-59
  5.2 渗氮层性能分析  59-66
    5.2.1 渗氮层显微硬度分布  59-62
    5.2.2 渗氮层纳米硬度分析  62-63
    5.2.3 渗氮层耐磨性分析  63-66
  5.3 渗层组织纳米化现象解释  66-69
  5.4 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 热处理 > 热处理工艺 > 化学热处理 > 渗氮、氰化、碳氮共渗
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