摘要
隶属于Fe-Nb-C体系的含铌合金钢和碳化铌增强铁基复合材料均具有优良的力学性能，因而被广泛应用。体系中的Nb/NbC、NbC/Fe异质界面对材料的服役情况起着至关重要的作用，然而目前大量实验对于Nb/NbC、NbC/Fe界面的研究存在尺度局限性。针对此研究现状，本文基于密度泛函理论出发，借助第一性原理的方法，围绕NbC/金属界面的结合行为，对NbC(100)/α-Fe(100)界面捕氢机制和基体合金化机理，以及固溶原子差异对界面的影响展开了深入研究，分别计算了Nb(001)/NbC(010)、NbC(010)/α-Fe(110)、NbC(100)/α-Fe(100)界面的结合能力和成键特征，以及NbC(100)/α-Fe(100)界面吸附H原子和掺杂Cr原子的电子特性和力学性能。研究结果表明： (1)NbC/金属界面电子结构是影响界面结合能力和力学性能的主要原因。由于Nb-HCP构型界面会形成金属键/离子键(或共价键)，C-HCP构型界面将形成共价键/离子键，Fe-C键比Nb-Nb、Nb-C键更难配位，使得三类界面中C-HCP构型的Nb(001)/NbC(010)界面拥有最佳的粘附功(7.60J/m2)和最大的理论拉伸强度(0.80J/m2)。此外，界面结合能力依次为：Nb(001)/NbC(010)＞NbC(010)/α-Fe(110)＞NbC(100)/α-Fe(100)，即裂纹的萌生与扩展更倾向于在Fe-NbC界面发生。 (2)H原子的吸附位点是影响NbC(100)/α-Fe(100)界面捕氢效果的关键因素。H原子在Contop-Fe的NbC(100)/α-Fe(100)界面八面体间隙位点可以有效吸附，且具有最大的吸附能为0.16eV。H原子与表层Fe原子相互作用，所形成的H-Fe键具有共价和离子特性，且键长增长。吸附H原子后界面的断裂能和峰值应力分别降低至为0.47J/m2和0.37GPa，且稳定后的最佳界面间距增加至1.96?。H原子在界面处的吸附增大了块体断裂功与界面断裂功之间的差值，增加了裂纹从NbC(100)/α-Fe(100)界面处扩展的可能性和界面间距，降低了界面的结合强度，破坏了NbC(100)/α-Fe(100)界面的稳定性。 (3)合金元素Cr对金属和共价环境优异的适应性是提高NbC(100)/α-Fe(100)界面力学性能的根本原因。合金元素Cr掺杂时，在界面处的偏析具有高倾向性。Cr原子掺杂后界面形成的Fe-Cr键具有金属性质，C-Cr键具有共价特性，同时Fe-C键兼具了共价键和离子键的共性，经计算其理论抗拉强度为0.61GPa，对比纯净界面(0.51GPa)和捕氢界面(0.37GPa)分别增长了19.6%和64.9%。Cr原子的偏析缩小了静电势差，使差值从0.36eV降低至0.17eV，有利于提高界面的耐腐蚀性。
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