CN108614952B - 一种设计优异力学性能m2c碳化物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高速钢技术领域，特别涉及一种设计优异力学性能M2C碳化物的方法，该方法首先通过建模软件构建近似无序结构的Mo2C的有序模型；其次利用V、Cr、Fe、W原子替换Mo2C中的Mo原子，运用VASP软件进行结构优化和弹性性质计算；再次将VASP软件的输出文件CONTCAR采用能量应变法计算弹性常数；最后使用VRH方法和硬度计算公式得到弹性模量和硬度，利用V、Cr、Fe、W对M2C碳化物力学性能影响规律，设计优异力学性能的M2C碳化物；本发明为高速钢生产过程中M2C碳化物设计调控提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。
Description
技术领域
本发明属于高速钢技术领域，特别涉及一种设计优异力学性能M2C碳化物的方法。
背景技术
高速钢是具有优良性能且属于高碳高合金莱氏体的一种工具钢，具有硬度高、耐磨性好、红硬性优良等特性，广泛应用于制造各种高速切削刀具，如高速车刀、铣刀、麻花钻等，也部分用于高载荷模具、高性能轧辊、航空高温轴承以及特殊耐热耐磨零部件等。
1898年，美国人Fred W Taylor开发出新型的Cr-W钢(C 1.14％、Cr 1.83％、W7.72％)，并首次采用接近熔点的高温淬火热处理工艺，极大地提高了切削性能，其切削软钢的速度达到46m/min，中硬钢18m/min，Cr-W钢被认为是世界上最早的高速钢；后人以Cr-W钢为基础，不断改进合金化方案和热处理工艺，相继开发了一系列新型高速钢钢种，典型牌号如钨系高速钢W18Cr4V钢(T1钢)，钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2(M2)，M40系列含钴超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8(M42)，硬度可达到HRC70左右。通常在普通钢中加入Cr，Mo， W，V等元素得到高速钢，它是一种高合金工具钢。在熔炼与热处理过程中，这些合金元素可以与碳形成形成具有高硬度高耐磨性的不同结构的合金碳化物，如MC、M2C、M6C、M7C3、 M23C6等，从而提高高速钢的强度、硬度和耐磨性。
由于高速钢中合金碳化物种类繁多，元素种类繁多，实验手段难以解释元素对高速钢中合金碳化物稳定性影响规律，也无法对不同合金碳化物的力学性能给出预测，许多合金元素对碳化物性能影响的问题仍未解决。
基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法不依赖于经验参数，在只提供体系基本物理量的情况下给出其结合能、电子结构、弹性性质等信息，被广泛应用于合金碳化物的理论研究。但高速钢中密排六方结构的M2C中C原子有多种排列方式，其中M2高速钢中M2C的C原子是无序地随机地充填1/2个八面体间隙；第一性原理计算很难研究无序结构模型。
发明内容
本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种设计优异力学性能M2C碳化物的方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种设计优异力学性能M2C碳化物的方法，首先通过建模软件构建近似无序结构的Mo2C 有序模型；其次，利用V、Cr、Fe、W原子替换Mo2C中的Mo原子，运用VASP软件进行结构优化；再次，对VASP软件的输出结构CONTCAR采用能量应变法计算弹性常数；最后，使用VRH方法和硬度计算公式得到弹性模量和硬度，根据弹性模量和硬度筛选出优异力学性能的M2C碳化物。
优选地，所述的M2C碳化物，以194号空间群的Mo2C建立模型，C原子在[011]晶向间隔排列。
优选地，所述方法的具体步骤为：
1)超胞模型建立：使用建模软件建立194号空间群的Mo2C，选取超胞尺寸为2×2×1，再删除(0.0,0.5,0.0)，(0.5,0.0,0.0)，(0.0,0.0,0.5)和(0.5,0.5,0.5)这4个位置的C原子，使得C原子在[011]晶向间隔排列，得到近似无序结构的有序超胞模型，通过VESTA软件将模型数据文件类型转变为VASP的输入文件POSCAR；
2)掺杂模型建立：利用V或Cr或Fe或W替换步骤1)中得到的超胞结构的Mo原子，通过VESTA软件将模型数据文件类型转变为VASP的输入文件POSCAR；
3)模拟计算：
a.将步骤2)中得到的POSCAR采用VASP软件进行能量计算，筛选出掺杂结构中能量最低的模型，对能量最低的结构的POSCAR采用VASP软件进行结构优化，生成稳定结构数据文件CONTCAR，重命名为POSCAR，作为下一步弹性常数计算的输入文件；
b.将上述结构采用能量应变法计算弹性常数，计算生成OSZICAR文件；
4)结果处理与分析：
a.将步骤3)得到的OSZICAR需要提取其能量数据后结合应变量拟合得到弹性常数矩阵C，结合绘图软件对能量法计算得到的结构能量数据及其对应应变量作二维散点图，最终拟合得到二次项常数，计算得出弹性常数、弹性模量及硬度；
b.比较不同元素不同含量下M2C碳化物的弹性模量及硬度，筛选M2C碳化物；从而指导实验设计，制备性能优异的高速钢，缩短研发周期。
优选地，所述步骤2)中，被V或Cr或Fe或W替换的Mo原子个数为1个或3个或5 个或7个。
优选地，所述的VASP软件中，计算中的截断能取值为500eV，原子受力均收敛在0.0001 eV/A以下。
优选地，所述步骤3)的a步骤中，采用能量应变法计算掺杂构型的弹性常数时，设置的应变量的绝对值＜0.01。
优选地，所述步骤4)的b步骤中，通过Voigt-Reuss-Hill(VRH)方法得到体积模量B和剪切模量G：
其中：C11、C12、C13、C33、C44、C66为弹性常数矩阵C中的弹性常数
B＝(BR+BV)/2
G＝(GR+GV)/2
再利用公式可以杨氏模量E：
E＝9BG/(3B+G)
优选地，所述步骤4)的b步骤中，采用以下公式计算硬度Hv：
Hv＝0.92k1.137G0.708，k＝G/B
其中G为剪切模量，B为体积模量。
相对于现有技术，本发明的优点如下，
本发明采用C原子有序排列来近似无序排列；使用密度泛函理论结合近似无序的有序构型的计算方法更为接近高速钢中的M2C合金碳化物，可以有效地提升模拟效果和准确度；通过使用第一性原理软件VESTA和VASP等，研究了V、Cr、Fe、W对M2C力学性能影响规律，设计出优异力学性能M2C碳化物，从而指导实验设计高速钢组分，制备性能优异的高速钢，缩短研发周期。
附图说明
图1是Mo2C的2×2×1原始超胞结构图；
图2是Mo2C的2×2×1近似无序的有序超胞结构图；
图3是(Mo,M)2C(M＝V,Cr,Fe,W)的体积模量；
图4是(Mo,M)2C(M＝V,Cr,Fe,W)的剪切模量；
图5是(Mo,M)2C(M＝V,Cr,Fe,W)的杨氏模量；
图6是(Mo,M)2C(M＝V,Cr,Fe,W)的硬度。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
本发明的实施例中所使用的工具主要是VESTA和VASP软件，主要的计算工具是VASP 软件。
VASP则是一款基于密度泛函理论的软件包，采用经相对论校正的投影缀加波(PAW) 方法来进行计算，立足于第一性原理，只获取体系基本参数实现从头计算。
软件的输入文件包括POSCAR、INCAR、KPOINTS和POTCAR，其中
1)POSCAR是描述晶体结构的文件，给出材料的基矢、对称性和具体原子坐标；
2)INCAR用来控制计算何种性质以及如何计算；
3)KPOINTS指明K空间的网格大小和路径；
4)POTCAR给出每种元素的赝势。
软件主要的输出文件有OSZICAR(能量输出文件)；对于输出文件的处理，OSZICAR收集不同应变量及其对应能量，使用绘图工具软件拟合得到二次项系数计算得到弹性常数矩阵。
实施例1：
一种设计优异力学性能的M2C碳化物的方法，设计的近似无序的有序M2C超胞尺寸为 2×2×1包括以下步骤：
1)超胞结构建模：
超胞模型基于194号空间群的Mo2C建立。建立超胞模型为：2×2×1超胞包含16个原子，模型如图1所示；再删除(0.0,0.5,0.0)，(0.5,0.0,0.0)，(0.0,0.0,0.5)和(0.5,0.5,0.5)这4个位置上的C原子，使得C原子在[011]晶向间隔排列，得到近似无序结构的有序超胞模型，最终超胞包含12个原子，8个Mo原子和4个C原子，模型如图2所示。
2)掺杂结构建模：
a.分别利用1、3、5、7个V、Cr、Fe、W原子替换步骤1)中得到的有序超胞结构的 Mo原子，通过VESTA软件将模型数据文件类型转变为VASP的输入文件POSCAR；
b.将步骤a中得到的POSCAR采用VASP软件进行能量计算，筛选出每种元素掺杂结构中能量最低的模型，
3)弹性常数计算：
整体计算采用经相对论校正的投影缀加波(PAW)方法来进行计算，选择PBE形式的广义梯度近似(GGA)处理交换关联能。通过测试，选用截断能为500eV，超胞k点为5×5×5。计算主要分为两步：
a.结构优化：采用步骤2)得到的每种元素掺杂结构，利用VASP软件分别进行几何优化。使用一阶Methfessel-Paxton的Smearing方法和0.15eV的展宽，直到每个原子上所受的最大的力小于0.000l eV/A时，原子结构优化停止，结构优化使用ISIF＝3、NSW＝100，进一步对掺杂结构进行深度弛豫，获得超胞的稳定结构数据文件CONTCAR。
b.弹性常数计算：将第一步中得到的两个CONTCAR文件重命名为POSCAR文件，利用能量应变法计算其所有6个弹性常数，在INCAR中设定ISTART＝0、ICHARG＝2、IBRION＝2，设置5个应变量：0.0075、0.0050、0.0025、0.0000、-0.0025、-0.0050、-0.0075，得到输出文件OSZICAR。
4)力学性质处理：
由步骤3)得到的OSZICAR需要提取其能量数据后结合应变量拟合得到弹性常数矩阵C，结合绘图软件对能量法计算得到的结构能量数据及其对应应变量作二维散点图，最终拟合得到二次项常数，计算得出弹性常数、弹性模量及硬度：
通过Voigt-Reuss-Hill(VRH)方法得到体积模量B和剪切模量G：
其中：C11、C12、C13、C33、C44、C66为弹性常数矩阵C中的弹性常数
B＝(BR+BV)/2
G＝(GR+GV)/2
再利用公式可以杨氏模量E：
E＝9BG/(3B+G)
通过以下公式计算硬度Hv：
Hv＝0.92k1.137G0.708，k＝G/B
其中G为剪切模量，B为体积模量。
通过比较不同元素含量的弹性模量和硬度，从而获得最佳组分的M2C碳化物，对高速钢中调控M2C碳化物组分来获得更优异力学性能有着直接的理论指导作用。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，首先通过建模软件构建近似无序结构的Mo2C有序模型；其次，利用V、Cr、Fe、W原子替换Mo2C中的Mo原子，运用VASP软件进行结构优化；再次，对VASP软件的输出结构CONTCAR采用能量应变法计算弹性常数；最后，使用VRH方法和硬度计算公式得到弹性模量和硬度，根据弹性模量和硬度筛选M2C碳化物；
所述方法的具体步骤为：
1)超胞模型建立：使用建模软件建立194号空间群的Mo2C，选取超胞尺寸为2×2×1，再删除(0.0,0.5,0.0)，(0.5,0.0,0.0)，(0.0,0.0,0.5)和(0.5,0.5,0.5)这4个位置上的C原子，使得C原子在[011]晶向间隔排列，得到近似无序结构的有序超胞模型，通过VESTA软件将模型数据文件类型转变为VASP的输入文件POSCAR；
2)掺杂模型建立：利用V或Cr或Fe或W替换步骤1)中得到的超胞结构的Mo原子，通过VESTA软件将模型数据文件类型转变为VASP的输入文件POSCAR；
3)模拟计算：
a.将步骤2)中得到的POSCAR采用VASP软件进行能量计算，筛选出掺杂结构中能量最低的模型，对能量最低的结构的POSCAR采用VASP软件进行结构优化，生成稳定结构数据文件CONTCAR，重命名为POSCAR，作为下一步弹性常数计算的输入文件；
b.将上述结构采用能量应变法计算弹性常数，计算生成OSZICAR文件；
4)结果处理与分析：
a.将步骤3)得到的OSZICAR需要提取其能量数据后结合应变量拟合得到弹性常数矩阵C，结合绘图软件对能量法计算得到的结构能量数据及其对应应变量作二维散点图，最终拟合得到二次项常数，计算得出弹性常数、弹性模量及硬度；
b.比较不同元素不同含量下M2C碳化物的弹性模量及硬度，筛选M2C碳化物。
2.如权利要求1所述的设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，所述的M2C碳化物，以194号空间群的Mo2C建立模型，C原子在[011]晶向间隔排列。
3.如权利要求1所述的设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，所述步骤2)中，被V或Cr或Fe或W替换的Mo原子个数为1个或3个或5个或7个。
4.如权利要求1所述的设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，所述的VASP软件中，计算中的截断能取值为500eV，原子受力均收敛在0.0001eV/A以下。
5.如权利要求1所述的设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，所述步骤3)的b步骤中，采用能量应变法计算掺杂构型的弹性常数时，设置的应变量的绝对值＜0.01。
6.如权利要求1所述的设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，所述步骤4)的b步骤中，通过Voigt-Reuss-Hill方法得到体积模量B和剪切模量G：
其中：C11、C12、C13、C33、C44、C66为所述弹性常数矩阵C中的弹性常数
B＝(BR+BV)/2
G＝(GR+GV)/2
再利用公式可以杨氏模量E：
E＝9BG/(3B+G)。
7.如权利要求1所述的设计优异力学性能M2C碳化物的方法，其特征在于，所述步骤4)的b步骤中，采用以下公式计算硬度Hv：
Hv＝0.92k1.137G0.708，k＝G/B
其中G为剪切模量，B为体积模量。
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