Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物第一性原理研究.pdf

1、在化學(xué)熱處理中，稀土由于催滲、改善滲層組織、提高滲層質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。稀土鉻釩共滲將單滲釩、滲鉻優(yōu)點(diǎn)綜合，克服其缺點(diǎn)，在提高冷作模具使用壽命方面取得很大成功，其覆層相結(jié)構(gòu)主要有Fe-C-V-Cr-Ce系化合物組成。但由于測(cè)試手段、實(shí)驗(yàn)復(fù)雜及稀土微量等制約，目前對(duì)稀土鉻釩共滲的研究大多偏工藝方面，在覆層相結(jié)構(gòu)理論規(guī)律方面尚缺乏深入認(rèn)識(shí)，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。故本文利用第一性原理方法，對(duì)Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物的基本物性及

2、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行理論研究，嘗試分析各種化合物在稀土鉻釩共滲覆層的存在可能性，對(duì)稀土鉻釩共滲乃至整個(gè)稀土化學(xué)熱處理領(lǐng)域的進(jìn)一步探索、認(rèn)識(shí)及改進(jìn)，均有很好的理論指導(dǎo)價(jià)值。
　　本文利用CASTEP模塊，對(duì)Fe-C-V-Cr-Ce系中C-Ce、Fe-Ce、C-Cr、C-V四個(gè)體系化合物的晶格常數(shù)、電子結(jié)構(gòu)（差分電荷密度、態(tài)密度）、熱力學(xué)性質(zhì)（德拜溫度、生成焓、結(jié)合能）、力學(xué)性能（楊氏模量、剪切模量、體積模量、泊松比、理論硬度、各向異性系數(shù)

3、）等進(jìn)行了計(jì)算分析，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，對(duì)Fe-C-V-Cr-Ce系二元化合物進(jìn)行了綜合的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，主要研究結(jié)果如下：
　　1.在C-Ce系CCe、C2Ce、C3Ce2三種化合物中，C3Ce2的生成焓、結(jié)合能值最低，分別為-0.859 ev/atom、-6.999 ev/atom，德拜溫度最高，為376 K，熱力學(xué)穩(wěn)定性最優(yōu)；在電子結(jié)構(gòu)方面，C3Ce2態(tài)密度圖中成鍵電子雜化明顯，共價(jià)性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)于CCe、C2Ce，且

4、C3Ce2理論硬度為9.905Gpa，遠(yuǎn)大于CCe、C2Ce，力學(xué)穩(wěn)定性較好，在C-Ce二元體系中最易生成。
　　2.在 Fe-Ce系 CeFe2、CeFe5、Ce2Fe17三種化合物中，Ce2Fe17的生成焓(-0.440 ev/atom)、結(jié)合能(-4.940 ev/atom)最低，德拜溫度(403 K)最高，熱力學(xué)穩(wěn)定性較好；三種化合物均有離子鍵、金屬鍵、共價(jià)鍵，且Ce2Fe17的共價(jià)鍵和離子鍵強(qiáng)度較高；Ce2Fe17各向異

5、性系數(shù)為0.005，各向同性好，楊氏模量、剪切模量、理論硬度分別為266 Gpa、102 Gpa、8.984 Gpa，均比CeFe5、CeFe2大得多。綜合分析，Ce2Fe17在Fe-Ce體系中最容易生成。
　　3.在C-Cr系CCr、C2Cr3、C3Cr7、C6Cr23四種化合物中，CCr生成焓非負(fù)，為熱力學(xué)不穩(wěn)定相，C2Cr3的結(jié)合能(-9.144 ev/atom)、生成焓(-0.171 ev/atom)值最小，德拜溫度(80

6、7 K)最大，熱力學(xué)穩(wěn)定性最強(qiáng)，同時(shí)其態(tài)密度圖中Cr-3d和C-2p雜化最明顯，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也最好。此外，C2Cr3由于體積模量（324 Gpa）、楊氏模量（439 Gpa）、理論硬度（16.368 Gpa）都比C2Cr3、C3Cr7大，力學(xué)性能也是最好的。因此，C2Cr3在C-Cr二元系化合物中最容易生成。
　　4.在C-V二元系CV、?CV2、?CV2、C3V4、C5V6、C7V8六種化合物中，C5V6的生成焓（-0.617 e

7、v/atom）、結(jié)合能（-9.187 ev/atom）值最小，化合物形成能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強(qiáng)，C7V8、CV次之。CV、C7V8、C5V6的德拜溫度、成鍵雜化程度、理論硬度、楊氏模量等很接近，都強(qiáng)于?CV2、?CV2、C3V4，在C-V體系中都比較容易生成，其德拜溫度分別為921 K、923 K、858 K，理論硬度分別為23.1 Gpa、24.4 Gpa、25.9 Gpa，楊氏模量分別為485 Gpa、481 Gpa、424Gpa。<