中文摘要：

本项目采用第一性原理方法对钢中几种典型合金铁碳化物的结构与性能进行理论预测，确定合金铁碳化物的晶体学特性，综合分析合金元素种类与含量、温度、应力及形变等因素对铁碳化物结构性能及稳定性的影响规律与机制，研究不同合金元素在钢的基体与铁碳化物之间的分配关系；应用分子动力学方法预测合金铁碳化物中间隙原子扩散与合金元素偏聚特征及其物理本质；通过系列实验对比印证理论计算结果的准确性与可靠性，为建立更系统且更具普遍意义的合金相结构设计及性能预测方法奠定基础，为开辟一种以设计与控制碳化物结构及类型为途径的钢的加工工艺提供理论支持。对钢中可能存在的合金铁碳化物进行结构设计与性能预测，并从原子与电子层次诠释合金元素的相间分配、间隙原子偏聚及晶体结构演变特性是本项目最主要的创新之处。采用第一性原理、分子动力学及实验研究等方法对合金掺杂铁碳化物结构性能进行理论预测和印证是本项目的重要特色。

结论摘要：

本项目从原子与电子层次系统表征了钢中碳化物、合金碳化物的微观结构特征，预测分析了（合金）碳化物能量及结构稳定性参数，综合分析了温度、应力及形变等因素对（合金）铁碳化物结构性能及稳定性的影响规律；研究了不同合金元素在钢的基体与铁碳化物之间的分配关系；构建了多原子超晶胞晶体模型，进而分析预测了合金铁碳化物中间隙原子扩散与合金元素的偏聚特征。此外，本项目还建立了（合金）渗碳体表面（001）、（010）和（100）结构模型，确定了它们之间稳定性关系；构建了（合金）奥氏体结构及其点缺陷结构模型，计算分析了空位模型、“溶质-溶质”模型和“空位-溶质”模型的能量稳定性与电子结构。 通过本项目研究，取得如下主要研究成果，对称性合金渗碳体较非对称性能量稳定性高， Cr/Mn具有稳定渗碳体的作用，而Co/Ni促进M3C碳化物的分解与转化； Fe3X中金属原子Fe与非金属原子B/C/N之间的成键具有共价性、金属性与离子性混合特征，它们之间的能量稳定性关系为从ε-Fe3B, θ-Fe3N, ε-Fe3C, θ-Fe3C, θ-Fe3B到ε-Fe3N依次增大；M6C，M23C6，M3C, M7C3与M5C2型碳化物，金属原子磁性的位置差异较为敏感；合金元素Cr和Mn分配到渗碳体相的过程中，最先吸附在渗碳体表面积最大的表面（即（001）表面），Cr原子比Mn原子的吸附能力更强，而且最终Cr原子在表面层C原子与表面第一和第二原子层的Feg和Fes原子间的五重空位处；从γ-Fe4B, γ-Fe4C到γ-Fe4N 稳定性逐渐减小，γ-Fe4X (X=B/C/N) 的成键具有金属性、共价性与离子性的混合特征，Fe-N的离子性最强；利用不均匀温度场棒材的热加工方法，有效控制渗碳体的形貌及分布，并首次成功制备了多层复合组织轴类零件。 本项目研究结果为建立更系统且更具普遍意义的合金相结构设计及性能预测方法奠定了基础，开辟了一种以设计与控制碳化物结构及类型为途径的钢铁材料加工工艺。