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Cr对Fe-Cr合金耐蚀性能影响的电子理论研究

王垚 , 李春福 , 林元华

金属学报 doi:10.11900/0412.1961.2016.00269

基于固体与分子经验电子理论(EET),对Fe-Cr合金(Cr含量为0~30%,原子分数)的价电子结构进行了半定量分析,利用界面电子密度差Δρ的计算方法,计算了Fe-Cr合金与Cr₂O₃、Fe₂O₃钝化膜低指数晶面间的电子密度。结果表明,Fe-Cr合金固溶体的杂化原子轨道数σ_n、最强键共价电子数n_A和最强键键能E_A均大于纯Fe,Cr能提高Fe基体的稳定性。当Cr含量达到12.52%和24.3%时,Cr原子从低阶迁移到共价电子数少的高阶状态,不稳定性增加,此时Cr易偏离平衡位置与腐蚀介质作用形成钝化膜,造成Fe-12.52%Cr和Fe-24.3%Cr合金的耐腐蚀性能发生突变。Fe-Cr合金与Cr₂O₃、Fe₂O₃钝化膜的24个低指数界面中,只有Fe-Cr(112)/Cr₂O₃(0001)、Fe-Cr(112)/Cr₂O₃(101?0)_Cr、Fe-Cr(112)/Fe₂O₃(112?0)界面的Δρ <10%,对于同等Cr含量的基体,Fe-Cr(112)/Cr₂O₃(101?0)_Cr界面Δρ最小,满足Δρ<10%的杂化原子轨道数σ最大。随着基体中Cr含量升高,Fe-Cr(112)/Cr₂O₃(0001)和Fe-Cr(112)/Fe₂O₃(112?0)界面Δρ降低,σ增加,Cr₂O₃、Fe₂O₃与基体的界面更加稳定牢固,因此Fe-24.3%Cr合金的耐腐蚀性可跃迁至更高水平。价电子结构对Fe-Cr合金耐蚀性能变化的分析结果基本符合Tammann定律的描述。

关键词: 经验电子理论 , 耐腐蚀性能 , 钝化膜 , 界面电子密度差 , Tammann定律