高清PDF《抗磨钢铁材料中强化相的微结构计算与性质研究》种晓宇 2018版

抗磨钢铁材料作为目前广泛采用的一类耐磨材料，应用于冶金、矿山、电力、建材、能源、交通等领域。强化相作为抗磨钢铁材料中的重要组分，在磨损过程中起到抗磨骨架的作用。合金元素种类和含量影响强化相的结构、硬度、脆韧性、热膨胀等热物理性能，从而影响抗磨钢铁整体的耐磨性。但是，由于强化相在钢铁中分散、尺度小，无法进行宏观结构与性能测试；且组成元素复杂，对实验研究也增加了难度。本书采用第一性原理计算结合微观结构和性能表征的方法，对抗磨钢铁中常见多元强化相的结构、力学和热学性质进行研究，并从电子一原子层次揭示不同合金元素对性质影响的本质原因，实现强化相组分、结构和性能的快速筛选与预测，进而指导设计新型高性能抗磨钢铁材料，对新型抗磨钢铁材料的成分设计与性能优化有一定的参考价值。
本书可供钢铁材料和计算材料学专业的高年级研究生及从事相关研究领域的工作者参考使用。

磨损作为材料和设备破坏失效的三种主要方式之一，普遍存在于冶金、矿山、电力、建材、能源、交通等领域，据资料统计，摩擦磨损消耗掉全世界13的一次性资源，约80%的机械零件因磨损而失效。因此，开发先进的耐磨材料，从而减少摩擦和磨损，提高资源利用效率，是至关重要的。随着19世纪以来钢铁材料的飞速发展，抗磨钢铁成为目前应用最广泛的金属耐磨材料，据统计，2014年中国钢铁耐磨件市场需求为450万t。
目前对抗磨钢铁材料的研究主要集中在三个方面：一是提高钢铁基体的耐磨性，同时保持其韧性：二是研究强化相的形成、种类、数量、尺寸分布等：三是探究基体与强化相的交互作用和协同性，从而提高钢铁材料整体的耐磨性。硬度是为保证抗磨钢铁构件的服役周期，而韧性是为确保其服役安全性。一般而言，强化相对提高抗磨性起主要作用，而基体起到支撑强化相的作用。对一种优良的耐磨材料来说，既要具有高硬度，又要具有高韧性和强度，如何提高机械零部件的耐磨性并延长其使用寿命，始终是科研工作者最关注的问题。
抗磨钢铁材料的最终性能由其微观组织结构决定，而微观结构取决于其化学组成和加工工艺。目前对加工工艺已实现较精确的控制，但是复杂的化学组成对钢铁性能的影响机制尚不清晰。强化相中合金元素的种类和含量直接影响其硬度脆韧性及其他热物理性能，从而影响整个钢铁材料的抗磨性。但是目前关于合金元素对抗磨钢铁中强化相的结构与性质影响的定量研究非常少，其原因是强化相在钢铁中比较分散，且尺度较小，无法进行宏观的结构与性能测试；由于大部分碳化物金属性的存在，多种金属元素能够同时固溶到强化相中，形成复杂多元化合物：大部分强化相为亚稳相，很难采用实验合成纯相，对结构与性能的研究增加了难度。对多元强化相的结构与性质研究属于空白，无法针对性地进行强化相的选择与成分控制。

本书的主要内容是以著者的博士学位论文《抗磨钢铁材料中强化相的微结构计算与性质研究》为基础的。特别感谢昆明理工大学蒋业华教授、冯晶教授的悉心指导，感谢宾夕法尼亚州立大学刘梓葵教授给予的帮助，感谢葛振华教授在科研上给予的建议。感谢金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程实验室各位老师的鼓励和帮助。感谢兰州大学彭勇老师课题组给予的透射电子显微镜支持，感谢美国Nanomechanics公司Meng Yujie博士给予的纳米压痕实验支持。感谢日本电子的工程师给予的电子探针显微分析测试的支持。

内容索引：

第1章绪论……1
1.1研究背景2
1.2抗磨钢铁材料概述…3
1.2.1抗磨钢铁材料分类…3
1.2.2强化相的种类与作用…5
13抗磨钢铁中强化相的研究现状及问题…7
1.4计算材料学在抗磨钢铁研究中的应用13
1.5研究目的和意义…18
1.6主要研究内容…19
第2章实验设计及计算方法20
2.1典型抗磨钢铁的制备…20
2.1.1铸态过共晶高铬铸铁20
2.1.2高速钢及其热处理……20
2.1.3纯强化相的萃取方法……21
2.2结构表征与性能测试……22
2.2.1强化相的化学组成与配比…22
2.2.2强化相的晶体结构表征…22
2.2.3单晶衍射与结构解析……23
2.2.4纳米压痕分析力学性质…23
2.2.5其他分析表征手段…25
2.3理论计算方法……25
2.3.1电子结构与成键分析…25
2.32结合能和形成焓…26

2.3.3力学性质及各向异性…27
2.3.4准谐近似…30
2.3.5准静态近似……32
2.3.6热导率及各向异性…33
2.3.7 Bloch-Gruneisen近似……34
2.3.8相图计算……34
第3章抗磨钢铁中典型强化相的结构确定…36
3.1过共晶高铬铸铁中的强化相…36
3.1.1强化相的组成与形貌…36
3.1.2强化相晶体结构的实验表征……37
3.2钨钼系高速钢中的强化相…40
3.2.1W6高速钢中强化相的晶体结构与化学组成…40
3.2.2W18高速钢中强化相的晶体结构与化学组成…44
3.3本章小结……48
第4章Fe-C相的结构与性能优化…49
41计算方法与参数…50
4.2结构特征与晶胞参数……50
4.3热力学稳定性53

4.4电子结构分析……55
4.5力学性质及各向异性…59
4.6热学性质……68
4.6.1热膨胀…72
4.6.2热客……74
4.6.3热导率……76
4.6.4电导率…77
4.7本章小结……79
第5章合金化对高铬铸铁中M,C3相性能的影响…80
5.1计算方法与参数80
5.2o-MC3型碳化物80
5.2.1合金化对弹性模量与硬度的影响81
5.2.2热膨胀系数的各向异性…83
5.2.3合金化对高温力学稳定性的影响…84
5.2.4热导率的各向异性…86
5.2.5电子结构特征……89
5.3h-MC3型碳化物…90
5.3.1晶胞参数与原子构型…91
5.3.2电子结构分析……94
5.3.3合金化对力学各向异性的影响……96
5.3.4多元合金化对热学性质的影响…102
5.3.5Cr含量对h-(F.Cr)C3力学各向异性的影响…107

5.4本章小结…108
第6章钨钼系高速钢中典型强化相的结构与性能…110
6.1计算方法与参数…110
62含有序碳空位的V-C二元相……110
62.1晶体结构与稳定性……111
6.2.2电子结构特征……114
62.3碳空位对力学性质的影响……115
6.2.4碳空位对热学性质的影响…123
62.5碳空位对电学性质的影响128
6.3三元(Fe,M)6C(M=WMo)相的结构与性质…129
6.31晶胞参数与原子构型……129
63.2高温力学性质…131
6.3.3热膨胀系数……134
6.4四元(Fe,W,Mo)6C型固溶体相的结构与性质……135
6.4.1晶体结构与参数…135
6.4.2化学键布居数分析…137
6.4.3力学性质优化…139
6.5本章小结…142
第7章实验验证抗磨钢铁中强化相的性质…143
7.1钨对过共晶高铬铸铁初生碳化物韧性的影响…143
72过共晶高铬铸铁初生碳化物力学各向异性……146
7.3纳米压痕研究高速钢中M。C相的力学性质…………149
7.4本章小结…151

第8章结论…153
参考文献……155
附录相关图表……164

投稿会员：芳华