摘 要

在Fe-N化合物中，随着N含量不同，相应的晶体结构和物理化学性能也不同。其中， Fe₈N和Fe₁₆N₂在磁化强度、矫顽力等方面具有优良的磁性质，是理想的软磁材料。当N含量较低时，Fe-N合金体系具有奥氏体组织，研究表明N作为奥氏体稳定元素，可以同时提高Fe-N合金的抗断裂韧性和硬度。此外，最近地球物理和地球化学的研究表明N有可能出现在地核的固相或者液相铁之中。因此研究Fe-N体系对于钢铁领域以及地球科学的研究具有极其重要的意义。

我们对Fe-N体系的相图的认识是不充分的，特别是在高温条件下的相图。利用高压实验技术，本论文拟分析Fe-N样品高温高压实验后的物相组成和各物相之中的N含量。我们以Fe粉和已知N含量的Fe-N化合物粉末作为起始材料，采用球磨法对起始材料进行预处理，将粉末研磨十小时，实现两相的均匀分布。

在国产六面顶压机中对样品进行高压烧结，并用热电偶检测实时温度。通过快速淬火，保存了在处理温度和压力下出现的物相组成和显微组织。对回收的样品进行X射线衍射得到物相构成，初步得到各物相的质量分数，紧接着利用质量分数和晶格参数初步计算出N含量的结果，从而对Fe-N体系中N含量的定量分析中形成了完整的计算方法。

论文详细介绍了高温高压物理实验过程。对实验后的样品，我们进行了X射线衍射分析，并对得到的衍射图谱借助电脑软件进行数据分析，初步确定Fe-N样品之中的物相组成及各物相N含量，为研究N在固相Fe中的溶解度提供重要依据，同时为得到高压Fe-N相图奠定了基础。

关键词：铁氮化合物；X射线衍射技术；高压实验；定量分析

Abstract

In Fe-N compounds, with the different content of N, the corresponding crystal structure and physicochemical properties are also different. Among them, Fe₈N and Fe₁₆N₂ have excellent magnetic properties in magnetization, coerce and so on, and they are ideal soft magnetic materials. When the content of N is lower, the Fe-N alloy system has austenite structure. Studies show that N is regarded as an austenite stable element, and it can simultaneously improve the fracture toughness and hardness of Fe-N alloy. In addition, recent geophysical and geochemical studies suggest that N may be present in the solid or liquid phase of the core. Therefore, the study of Fe-N system is of great significance to the study of the steel geoscience.

Our understanding of the phase diagram of Fe-N system is inadequate, especially at high temperature. Using high pressure experiment technique, this paper intends to analyze the phase composition and N content of Fe-N samples after high temperature and high pressure experiment. Fe powder and Fe-N compound powder with known N content were used as the starting material, and the ball-milling method was used to pretreat the starting material, and the powder was ground for 10 hours to achieve the uniform distribution of the two phases.

The sample was sintered under high pressure in a domestic six-sided jacking machine, and the real-time temperature was detected by thermocouple. The phase composition and microstructure under treatment temperature and pressure are preserved by rapid quenching. X-ray diffraction was carried out on the recovered samples to obtain the phase composition, and the mass fraction of each phase was preliminarily obtained. Then the mass fraction and lattice parameters were used to preliminarily calculate the result of N content, thus forming a complete calculation method for the quantitative analysis of N content in Fe-N system.

The paper introduces the physical experiment process of high temperature and high pressure in detail. After the experiment of the sample, we conducted analysis of X-ray diffraction, and the diffraction pattern with the aid of computer software for data analysis. And we preliminarily established the composition and content of Fe - N sample and N content of each phase. It provided important evidence for research in the solid solubility of Fe . At the same time, it laid a foundation in order to get a high Fe - N phase diagram.

Key Words: Iron-nitrogen compound; X-ray diffraction technique; High-pressure experiment; Quantitative analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 铁氮化合物 1

1.1.1 Fe-N化合物简介 1

1.1.2 Fe-N化合物研究历史 1

1.1.3 Fe-N相图 1

1.2 X射线衍射技术 3

1.3 本课题研究目的和研究内容 3

第2章 实验部分 4

2.1 实验方案 4

2.1.1含N粉体的制备方案 4

2.1.2 实验条件的选择 4

2.1.3 物相和各相N含量的检测方案 5

2.2 实验过程 6

2.2.1 高压实验的组装与操作 6

2.2.2 温度检测 7

2.2.3 高压实验 7

2.2.4 样品的处理 8

第3章 N含量的定量分析方法 9

3.1物相分析 9

3.2 计算质量分数 16

3.2 计算N含量 18

第4章 结论 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 铁氮化合物

1.1.1 Fe-N化合物简介

从纯铁开始，可以用NH₃气体氮化制备氮化铁，也可以用Fe粉与标准Fe-N化合物混合形成不同N含量的铁氮化合物。在铁氮化合物中，随着氮含量的变化，Fe、N比例也相应变化，如FeN, Fe₂N, Fe₄N, Fe₈N和 Fe₁₆N₂等，其中具有某些结构的Fe₃N, Fe₄N, Fe₈N和Fe₁₆N₂不仅具有较高的硬度、耐磨性和耐蚀性，同时，还具有较高的饱和磁化强度、较低的矫顽力等优良物理性质，是理想的软磁材料。

1.1.2 Fe-N化合物研究历史

人类对氮化铁材料的研究历史悠久。它首先在渗氮的钢表面硬化层中被发现。研究人员对铁氮化合物系统研究于1928年就开始了。一开始Hagg利用X射线衍射技术研究了氮化铁的物理结构。随后，Lehrer在1930年通过实验研究了氮化铁的磁性。而Gnillaud在1946年发现Fe₄N具有大的饱和磁矩之后，氮化铁化合物开始引起了研究人员广泛关注。 1951年Jack K H首次通过粉末法详细研究氮化铁的结构时，他发现了α''-Fe16N2相。

近十年来，人们在高压实验中对氮化铁进行了深入的研究。2009年Niewa等人在15GPa和1600K下获得了不同组成的氮化物(ε-Fe₃N_0.95)。类似地，2013年郭等人在一次多砧实验中，以γ-Fe₄N为原料，在8.5GPa和1373K实验条件下合成了一种铁氮化合物，结合X射线衍射技术和电子探针技术确定为ε-Fe₃N_0.75。

1.1.3 Fe-N相图

人们很早就系统地研究了Fe-N体系的相图，在总结之前研究者实验和理论数据的基础上，目前可参考以下Fe-N相图，如图1.1常压下Fe-N二元相图[Wriedt,1987],图1.2为高压下Fe-N二元相图[Wetzel, et al.,2019]。但是，Wetzel等人确定的Fe-N相图仍然局限于低温，并且缺乏进一步的实验数据加以验证。