摘要：

为研制应用于船用低速机缸套的新型铸铁材料,提出多尺度设计稀土掺杂Tarkall-C合金,使其符合设计使用要求。本文主要使用多尺度模拟方法,从第一性原理计算及有限元模拟两个方面,对稀土掺杂Tarkall-C合金进行了研究。从第一性原理的角度,从量子尺度研究了稀土掺杂对Tarkall-C合金中渗碳体、铁素体的晶格结构、态密度、弹性模量造成的影响。在有限元模拟角度,建立了预测稀土掺杂Tarkall-C合金的显微组织二维理论模型,并对其力学性能进行了预测。同时对制备的稀土掺杂Tarkall-C合金进行了表征。本文计算了渗碳体及合金渗碳体、铁素体及合金铁素体晶格结构,计算结果表明稀土元素掺杂对渗碳体和铁素体的晶格结构有较大的影响。从宏观层面上看晶格结构的改变意味着较大的晶格畸变的产生,会在材料基体中产生较多的位错、空位等缺陷,对材料的力学性能产生较大的影响。同时通过对能量、态密度、弹性性质等方面的计算分析稀土元素掺杂过程的分配行为,并且对稀土原子掺杂形成合金渗碳体的种类进行分析。建立了Tarkall-C合金的理论模型,并且预测了稀土掺杂量为0%和0.1%的Tarkall-C合金的弹性模量及剪切模量。根据有限元模拟的结果分析了材料摩擦过程中裂纹及损伤产生的显微组织机理,分析了材料摩擦过程中的疲劳损伤和裂纹产生的位置,以及摩擦过程中较硬的珠光体相和渗碳体相更容易脱落。制备了稀土掺杂Tarkall-C合金试样并且进行了力学性能测试,得到具有良好性能的稀土掺杂Tarkall-C合金。

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