晶体结构对316不锈钢腐蚀影响的第一性原理研究

316不锈钢的耐腐蚀问题是研究者关注的热点之一。基于密度泛函理论第一性原理,运用Materials Studio软件中CASTEP模块,对316不锈钢的晶体(奥氏体、铁素体、渗碳体和Fe合金)进行总能量和电子结构模拟计算,考察晶胞总能量、能带结构及电子态密度对316不锈钢腐蚀性能的影响。晶胞总能量计算结果表明,渗碳体和Fe合金的晶胞总能量最小,其次是奥氏体,最后为铁素体。说明,316不锈钢中渗碳体和Fe合金的性质最稳定、抗腐蚀性能最好,而铁素体的抗腐蚀性最差。随着316不锈钢中Cr含量增加,晶胞总能量逐渐减小,各相态晶体结构的稳定性逐渐变强。说明,当受到腐蚀介质侵蚀时,增加Cr的含量可提高316不锈钢的稳定性和耐腐蚀性。能带图和电子态密度结果表明,渗碳体和Fe合金的能带宽度小而密集且局域性强,而铁素体能带宽度大且非局域性强。说明,渗碳体和Fe合金的性质更稳定、抗腐蚀性能更好,而奥氏体次之,铁素体抗腐蚀性最差。随着316不锈钢中Cr含量增加,含Cr奥氏体的最大峰值对应的能量越低,区域分布的核外电子数越少。核外电子分布较少,不易失去电子,也不易发生氧化还原反应,结构越稳定。在发生腐蚀过程中,含Cr高的奥氏体结构更稳定,耐腐蚀性能更好,这一结论符合贫铬理论或晶间区偏析杂质理论。