Fe-Ni-Cr 奥氏体不锈钢中氮相关的短程有序：第一性原理与团簇展开研究
材料科学
2025-07-08 v1
摘要
氮 (N) 是一种关键合金元素，可增强 Fe-Ni-Cr 奥氏体不锈钢的性能，提高奥氏体稳定性、耐腐蚀性和屈服强度。然而，由于这些合金中多子晶格性质和磁相互作用的复杂性，N 在改变化学有序（特别是短程有序 (SRO) 和长程有序 (LRO)）方面的作用尚不明确。在这项工作中，我们将第一性原理计算与自旋团簇展开 (spin CE) 方法相结合，系统地研究了 N 对 Fe-Ni-Cr 合金中化学有序的影响。我们的原子模型证实了 N 和 Cr 之间的强亲和力，这驱动了 N-Cr SRO 的形成，并且在较高 N 浓度下稳定了 M4N 型有序相（M = 金属）。蒙特卡洛模拟表明，低 N 浓度促进局域 N-Cr 或 N-N SRO，而增加 N 含量则导致 Cr 和 N 富集的 LRO 结构的出现。我们还表明，N 的存在通过竞争这些相互作用抑制了固有的 Fe-Cr 和 Ni-Cr SRO，尤其是在高浓度下。当 N 接近其溶解度极限时，Cr 含量对有序的影响减弱。这些发现与高氮奥氏体钢中的实验观察结果一致。最后，我们讨论了动力学和磁效应对高氮合金中 SRO 演化的影响。本研究为理解 N 驱动的化学有序提供了一个全面的框架，并为渗氮过程中的微观结构变化提供了见解。
引用
@article{arxiv.2507.04580,
title = {Nitrogen-related short-range order in Fe-Ni-Cr austenitic stainless steels: first principles and cluster expansion study},
author = {Tianyu Su and Brian J. Blankenau and Namhoon Kim and Jessica A. Krogstad and Elif Ertekin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.04580},
year = {2025}
}