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等离子体低温渗氮调幅分解组织纳米化和深层扩散的研究.pdf 87页
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国内图书分类号：TG 174.453
学校代码：10213
国际图书分类号：621.193
密级：公开
工学硕士学位论文
等离子体低温渗氮调幅分解组织纳米化与深
层扩散研究
硕 士研究生：黄得猛
师：闫牧夫 教授
申 请 学 位：工学硕士
科：材料学
所 在 单 位：材料科学与工程学院
答 辩 日 期：20 12 年7 月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TG 174.453
U.D.C.: 621.193
Dissertation for the Master Degree in Engineering
STUDY ON MICROSTRUCTURE
NANOCRYSTALLIZATION AND DEEP
DIFFUSION BY SPINODAL DECOMPOSTION OF
SURFACE LAYER PRODUCED DURING LOW
TEMPERATURE PLASMA NITRIDING
Candidate ：
Huang Demeng
Supervisor ：
Prof.Yan Mufu
Academic Degree Applied for ： Master of Engineering
Speciality ：
Materials Science
Affiliation ：
School of Materials Science and
Engineering
Date of Defence ：
July, 20 12
Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
本文对合金碳钢表面等离子体渗氮是否发生调幅分解现象进行研究，通
过热力学方法计算发生调幅分解的温度和成分范围，进而用数值模拟预测低
氮化合物相体积分数，然后在调幅分解范围内开展等离子体渗氮实验，用
等表征手段证实调幅分解的发生，最后通过性能测试来说明渗
氮过程发生调幅分解的优势，并认为调幅分解是固溶预处理后等离子渗氮组
织纳米化与深层渗的关键。
用伪二元模型计算 Fe-Cr-N
体系自由能-成分曲线能很好地解释低氮化
合物相 FeN (z=0.)与含氮马氏体是通过上坡扩散的调幅分解生成
的，并且得到了发生调幅分解的最高温度与最佳氮含量分别为 1969K
N=1.85wt.% 。另外，随着温度的上升，调幅分解越发容易，但是又不能超
过奥氏体化温度 863K 。由相场模拟可知，调幅分解生成了低体积分数的低
氮化合相 FeN
，其形态多为圆形颗粒状，从理论计算得到 FeN
相体积分数
在[0.61%,39.5%]之间，而模拟结果显示只有不到 3% ，两者虽有出入但可以
预测其为低体积分数。
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Ti-Al-(Zr%2cHf)-N耐磨涂层的热力学及其力学性质的第一原理计算.pdf 144页
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博士学位论文
含A1氮化物耐磨涂层因具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性、良
好的热稳定性等优良性能而被广泛地应用到切削和成型工具中。含
所引发的时效硬化效应使涂层力学性能进一步提高。因此研究涂层的
调幅分解曲线以及调幅分解析出二元相的力学和热力学性质对涂层
设计有着重要的意义。此外，为了进一步改善涂层的性能，在Ti．AI-N
形成的四元涂层成为新的研究热点。通过实验方法选择适当的合金元
素工作量巨大，而基于密度泛函理论的第一原理计算对其结构和力学
性能进行预测不仅能有效减少这一工作量，还能对实验结果进行合理
本论文采用第一原理计算，并结合准谐近似和有效应力／应变方
性质进行了系统的研究。采用特殊准随机结构(Specialquasirandom
structures，SQS)模型和集团展开(Cluster
expansion，CE)描述三元
及压力和晶格振动对其调幅分解的影响。另外，本工作发展了四元
性分析了zr和Hf的添加对Ti．舢．N涂层力学性能和调幅分解的影响。
论文所取得的主要研究成果如下：
(1)三元氮化物发生调幅分解析出立方相二元氮化物，使得涂
层力学性能大大提高。因此系统研究立方二元氮化物的热力学和力学
性质对涂层研究非常重要。本工作采用第一原理方法系统计算了二元
谐近似方法将0K下的热力学性质推广到高温区域，对有限温度下的
热力学性质尤其是实验难很测定的高温热力学数据做出了合理的预
Diagram)模型提供必要的热力学信息。
(2)涂层的残余应力是影响涂层性能的重要因素。然而，通过
实验直接测定残余应力是比较困难的。在应力测定时，通常先由x
射线衍射测定出点阵畸变，之后通过弹性常数计算得到残余应力值。
博士学位论文
所以，弹性常数是评估残余应力的关键性质。基于准谐近似和有效的
应力／应变方法，本工作首次将二元氮化物TiN、A1N、ZrN和HfN的
弹性性质与温度和压力关联起来，计算了弹性常数与温度和压力的变
化关系。该计算为涂层残余应力的评估提供关了键信息。另外，基于
弹性常数，本工作还首次计算了这些氮化物的体模量、剪切模量、杨
氏模量、断裂强度和硬度等力学性质随温度的变化情况。计算结果可
望为高温涂层的发展提供可靠的理论依据。
(3)由调幅分解引起的涂层时效硬化可提高其力学性能，准确地
计算调幅分解曲线对研究涂层的时效硬化能力起着至关重要的作用。
本工作采用SQS和CE方法描述三元无序结构，并首次将振动熵引入
到瞰1N、ZrAIN和TiZrN的热分解计算中，研究了压力和振动效应
对调幅分解的影响。研究发现：增加压力使得调幅分解曲线上移，而
振动则降低调幅分解曲线对应温度。另外，计算结果表明Zr添加到
TiAIN中可以扩展调幅分解的成分区间。
(4)现有的SQS模型只限于二元和三元体系。本工作发展了四
元SQS模型来合理描述四元无序固溶体。在此基础上预测了
Ti-Al-zr-N和啊枷删的结构和力学性能。另外，本工作还研究了
Ti枷．N涂层中添加zr和Hf对其热分解过程的影响。计算结果表明
电子态密度和混合焓的定性分析，发现添加Zr和Hf更有利于涂层调
幅分解的发生和时效硬化能力的提高。这一计算结果与现有实验结论
一致。这也恰恰印证了第一原理计算在选择合金元素、优化合金成分
及预测合金性能等方面的高效性和合理性。
关键词氮化物涂层，第一原理计算，热稳定性，力学性能
Al-basedcoatingswidely
cuttingforming
duetotheir hardnessandwear
corrosion，as
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铁碳系相变的热力学分析
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相变热力学基础-第6章
&&相变热力学青岛科技大学材料学院课件
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相变热力学基础-.ppt 104页
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相变热力学基础-
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调幅分解过程中新旧相始终保持共格关系。
调幅组织弥散度非常大（调幅波长小），有极好的弥散强化效应，故强度较高。
无位错的过分堆积，保证材料有较好的塑性。
调幅组织具有明显的规律性和方向性，因而具有良好的物理性能（如导磁和屏磁） 组织与性能 * 液相的spinadol分解 * 冷却过程中凝固组织的变化 凝固分层 why * Apollo （阿波罗）14,16号 宇宙飞船， Sky Lab. USA, 1979 无重力，如何？ * 液相雾化法 * Science, Vol. 297 (2002), pp.990-993 * * 3. 冷却速度很快：如雾化制粉法 2. 冷却速度较快：如通常凝固法 1. 冷却速度很慢：如在坩锅中自然冷却 * 马氏体相变最早在中，高碳钢冷淬火后被发现，将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火）即会使钢变硬，增强。这种淬火组织具有一定特征，称其为马氏体。
最早把钢中的奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。后来发现纯金属和合金也具有马氏体相变（具有马氏体相变特征的相变） 6.6.2 马氏体相变 * 形状记忆效应 * 1878年，德国冶金学家Martens用金相显微镜观察到淬火钢中的马氏体组织。 1895年法国人Osmond将其命名为马氏体（Martensite）。 1924年，Bain 发现马氏体表面浮凸现象，提出了马氏体相变的应变模型，称为贝茵模型。
1926年Campell在美国，1927年Cеляков在原苏联，各自分别测得钢中的高碳马氏体的晶体结构为体心正方晶格，认为马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 1930年，Γ.Β.库尔久莫夫和G.萨克斯(Sacks)首先测得Fe-C合金马氏体与母相奥氏体保持K-S关系。提出马氏体相变切变模型。 * T0线 就是各温度下母相与转变产物相的摩尔自由能相等的各点成分的连线，或称无扩散相变驱动力为0的成分与温度关系曲线 * 马氏体点 原指Fe基合金冷却时奥氏体转变成马氏体的开始温度，后来将所有冷却时发生的无扩散切变相变开始温度都称为马氏体点。 由于马氏体相变要克服的阻力（如界面能、弹性能）较大， 需要较大的驱动力，所以马氏体点要比T0线温度低得多。但马氏体点又是以T0线为根据来分析的，T0线的走向决定了马氏体点的走向。 * 马氏体相变的特点： 马氏体相变在动力学和热力学上都有自己的特征，但最主要的特征是在结晶学上，这种转变发生时，新旧成分不变，原子只做有规则的重排而不进行扩散。 1) 母相和马氏体之间不改变结晶学方位的关系，新相总是沿着一定的晶体学面形成，新相与母相之间有严格的取向关系，靠切变维持共格关系。 2)相变时不发生扩散，是一种无扩散转变。马氏体相变为一级相变。
3)马氏体转变速度很快，有时速度高达声速。
4)马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长大的速率一般很大,因此整个动力学决定于成核过程，成核功也就成为相变所必需的驱动力。也就是说，冷却时需过冷至一定温度使具有足够的成核驱动力时，才开始相变。
马氏体转变程度x与温度T的关系 x Mf Ms T * 结晶学特征： 从一个母晶体四方块（A）形成一个马氏体（B）的示意图 R 相变后存在习性平面和晶面的定向关系。 * T0为相同成分的马氏体和奥氏体两相热力学平衡温度，此时
ΔGγ→α’ = 0 ΔGγ→α’ 称为马氏体相变驱动力。 相变驱动力 自由能-温度关系 *
相变化学驱动力用来提供切变能量、亚结构储存能、膨胀应变能、共格应变能、界面能等，所以要有足够大的相变驱动力。
Ms点为奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力（临界驱动力）时的温度。 无扩散相变 γ→α’的T0温度 * 旧相和新相结构只是对称性的改变，相变过程以有序参量表征的相变。 有序－无序的转变是固体相变中的另一种机理，属扩散性相变。如尖晶石结构的磁性体Fe3O4，室温下Fe3+Fe2+无序排列，但在120K以下，Fe3+Fe2+占具各自的位置呈有序排列，有序-无序转变的温度称居里点。
有序—无序相变 * 有序-无序转变——随温度升降而出现低温有序和高温无序的可逆转变过程称为有序-无序转变。 引入有序参数ξ表征材料中有序与无序的程度。
完全有序时ξ=1，完全无序时ξ=0。
R——原子占据应该占据的位置数； ω——原子占据不应占据的位置数；
R+ω——该原子的总数。 * * 脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。
脱溶时的能量变化： 若脱溶过程能够进行，则必有△G＜0（其中△G表示新相和母相的自由能差）。
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