过共晶Fe-Cr-C合金因其优异耐磨性被广泛应用于表面堆焊领域,并引起了金属3D打印行业的关注。过共晶Fe-Cr-C合金中的初生M₇C₃碳化物是其主要强化相,决定了合金的耐磨性。然而,当初生M₇C₃碳化物尺寸较大时,在其与基体之间容易出现粗大裂纹,使初生M₇C₃碳化物从合金表面剥落,从而降低了合金的使用寿命。因此,在弄清过共晶Fe-Cr-C合金中初生M₇C₃碳化物生长机制基础上,进一步细化初生M₇C₃碳化物成为提高过共晶Fe-Cr-C合金使用寿命的关键问题。本文首先制备过共晶Fe-Cr-C堆焊合金。在研究初生M₇C₃碳化物的晶体结构、电子结构等物理性能基础上,分析其微观组织特征,提出初生M₇C₃碳化物的生长机制。然后,研究过共晶Fe-Cr-C合金的磨损开裂行为和拉伸开裂行为,并分析其开裂性与初生M₇C₃碳化物尺寸的关系。最后,采用合金元素Ti和Nb细化初生M₇C₃碳化物,并分别采用分子动力学模拟初生M₇C₃碳化物的均匀形核固/液界面能,采用第一性原理计算方法研究TiC、NbC与初生M₇C₃碳化物的界面性质,从而提出合金元素Ti、Nb对初生M₇C₃碳化物的细化机制。初生M₇C₃碳化物为Fe₃Cr₄（A,C）C₃型碳化物,其键合为金属键、共价键和离子键的组合。焊态初生M₇C₃碳化物呈不规则多边形,心部存在多个孔洞,边缘还常存在豁口。有的初生M₇C₃碳化物由层层包裹的多层外壳组成,有的初生M₇C₃碳化物还由明显的多个部分组成。大块的初生M₇C₃碳化物是由多个小碳化物团聚而成,相邻小碳化物的晶粒取向不完全相同,并且相邻小碳化物之间存在小角度晶界。在对初生M₇C₃碳化物生长过程进行原位观察后,提出了初生M₇C₃碳化物团聚生长机制,即初生M₇C₃碳化物在生长过程中,由于堆垛层错形成的亚台阶和缺陷的多样性,平行于{011?0}晶面延伸出凸出。凸出生长和转向,形成了初生M₇C₃碳化物外壳,包裹相邻小碳化物,进而使多个碳化物发生团聚。此外,凸出的直接接触也会导致相邻初生M₇C₃碳化物发生团聚。观察过共晶Fe-Cr-C堆焊合金的磨损形貌,发现磨损裂纹主要出现在初生M₇C₃碳化物/共晶奥氏体界面,细化初生M₇C₃碳化物后,磨损裂纹减少。观察过共晶Fe-Cr-C堆焊合金的拉伸断口,发现当沿初生M₇C₃碳化物轴向拉伸时,初生M₇C₃碳化物在（0001）面发生解理断裂;共晶奥氏体发生韧性断裂;初生M₇C₃碳化物/共晶奥氏体界面发生沿晶断裂。当沿初生M₇C₃碳化物径向拉伸时,断裂以发生在初生M₇C₃碳化物/共晶奥氏体界面的沿晶断裂为主。细化初生M₇C₃碳化物后,轴向抗拉强度增强、径向抗拉强度降低。过共晶Fe-Cr-C堆焊合金的磨损裂纹和拉伸断裂均与初生M₇C₃碳化物/奥氏体界面相关。在初生M₇C₃碳化物/奥氏体界面存在由于热错配应力过大而形成的塑性变形带。初生M₇C₃碳化物尺寸越大,初生M₇C₃碳化物/奥氏体界面处的热错配应力越大,塑性变形带也会越宽。细化初生M₇C₃碳化物后,过共晶Fe-Cr-C堆焊合金磨损裂纹减少,一方面是由于初生M₇C₃碳化物在磨损过程中的晃动振幅减小,一方面是由于初生M₇C₃碳化物/奥氏体界面处的热错配应力降低。平衡相图表明,当Ti含量为0.6wt.%时,过共晶Fe-Cr-C堆焊合金中先析出TiC,然后析出初生M₇C₃碳化物。根据平衡相图制备了Ti含量为0.63wt.%的过共晶Fe-Cr-C堆焊合金。X射线衍射图谱显示其主要相组成为M₇C₃碳化物、奥氏体和TiC。观察其显微组织,发现初生M₇C₃碳化物明显细化,并且TiC和初生M₇C₃碳化物紧密结合。采用分子动力学模拟方法,发现初生M₇C₃碳化物的均匀形核固/液界面能为3.312J/m²。采用第一性原理计算方法,发现M₇C₃（0001）/TiC（111）界面结合功为3.48J/m²,界面能低于初生M₇C₃碳化物的均匀形核固/液界面能,界面键合为极性共价/离子键和金属键。因此,加入合金元素Ti之后,TiC的异质形核核心作用细化了过共晶Fe-Cr-C堆焊合金中初生M₇C₃碳化物。平衡相图表明,当Nb含量为1.2wt.%时,过共晶Fe-Cr-C堆焊合金中先析出NbC,然后析出初生M₇C₃碳化物。根据平衡相图制备了Nb含量为1.2wt.%的过共晶Fe-Cr-C堆焊合金,X射线衍射图谱显示其主要相组成为M₇C₃碳化物、奥氏体和NbC。观察其显微组织,发现初生M₇C₃碳化物尺寸明显细化,并且NbC和初生M₇C₃碳化物紧密结合。根据原子堆垛方式,构建了两种M₇C₃（0001）/NbC（111）界面模型。采用第一性原理计算方法,发现界面模型I以极性共价/离子键和金属键结合,界面结合功为1.23J/m²;界面模型II以离子键和金属键结合,界面结合功为2.24J/m²。界面模型II的界面能存在低于初生M₇C₃碳化物均匀形核固/液界面能的区域。因此,加入合金元素Nb之后,NbC的异质形核核心作用细化了过共晶Fe-Cr-C堆焊合金中初生M₇C₃碳化物。