常用的耐磨材料中高铬铸铁的性能相对来说是最好的。以高钒作为合金强化元素加入到高铬铸铁中，有利于大幅度提高高铬铸铁耐磨性，并提高冲击韧性。高铬铸铁一般经高温淬火得到马氏体，但高钒高铬铸铁不适合热处理，在高温条件下，钒对高铬铸铁抗氧化性能具有不利的影响。为此，研究高钒高铬铸铁在铸态下得到稳定的马氏体基体而省略淬火过程具有重要的实际意义。铸态下直接得到马氏体的关键是选择合适的化学成分。　　目前从电子、原子层次上进行材料设计是国内外学者广泛关注的热点问题，主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理赝势方法，原子间相互作用势方法，分子力学方法，分子动力学方法及蒙特卡罗方法等。其中前两种方法是在电子层次上进行材料设计的方法，其方法的物理基础可靠，但由于计算工作量很大，因而所计算的体系受到一定的限制。后几种方法是在原子及分子层次上的设计方法，这几种方法不考虑电子结构的影响，虽然会损失一些精度，但大体上反映出由相互作用势所决定的晶体结构，以及由晶体结构所决定的材料性质，且计算速度明显提高。其中原子间相互作用势又是分子力学、分子动力学方法及蒙特卡罗方法的基础，是原子级计算机模拟的关键。原子间相互作用势模型有很多种，早期主要采用对势模型，近年来发展起来的嵌入原子法(EAM)以及Finnis-Sinclair多体势方法，比较适合于描述金属与合金中原子间的相互作用。其中EAM对于键取向性小的简单贵金属是很有效的，然而它不太适合过渡族中间部位的元素(如V，Ni，Mo，W)。Finnis-Sinclair势广泛应用于对纯金属、二元合金和金属间化合物的计算机模拟研究，特别是对面心立方结构的金属的研究。　　对于纯金属，由于成分单一、相结构简单，所以，只要确定了合适的原子间相互作用势模型、选择相应的计算方法，拟合实验数据就能建立纯金属的原子间相互作用势。但是，对于多元合金来说，由于合金的相结构及成分均比纯金属复杂，而且，多元合金的实验数据相对于纯金属要少得多，这就给多元合金的研究造成很大困难。多元合金中二元合金的相结构相对简单，目前对于合金的研究，大多针对于二元合金及金属间化合物。对三元以上的多元合金的研究大多仍停留在实验研究，只有极少数研究人员对极少数的三元以上的多元合金进行了理论研究。Landa等人使用实验数据和由从头算线性muffin-tin轨道计算导出的物理量构造了关于Pb-Bi-Ni体系的经验Finnis-Sinclair型的多体中心势，并用该多体势计算了Pb-Bi-Ni合金在(111)表面的偏析特性。除此之外，从理论上对三元以上的多元合金的研究还未见报道。　　原子间相互作用势函数所需参数可以通过拟合材料性质，例如弹性常数、晶体结构、结合能、层错能、空位形成能及品格参数等获得。由于原子间相互作用势依赖于所研究材料的性能，而相应的实验数据又比较缺乏，因此，近几年采用独立于实验数据的第一性原理等理论拟合原子间相互作用势的方法引起了研究人员的关注。采用第一性原理计算得到的数据拟合原子间相互作用势，不但可以省去大量实验环节，而且能得到较准确的原子间相互作用势。然而，基于第一性原理的计算拟合适用于多元合金体系的多体势函数还未见报道。　　本文将Finnis-Sinclair多体势扩展到多元合金，建立适合于Fe-Cr-V-Ni-Si-C系的多元合金的原子间相互作用势函数;利用笫一性原理从头算所得的平衡距离及结合能，拟合Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金中与Si和C有关的对势函数;利用第一性原理赝势平面波方法计算Fe-Cr、Fe-V、Fe-Ni、Cr-V、Cr-Ni、Ni-V二元合金的晶格常数、结合能及体弹性模量，并根据计算得到的这些数据，构造Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金中与Fe、Cr、V、Ni有关的二元合金的F-S多体势函数;这样便得到了应用于Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金的原子间相互作用势函数。利用所得Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金的原子间相互作用势函数，研究该多元合金奥氏体基体的稳定性及其一些物理性能;并且通过金相显微镜、X-Ray衍射仪、扫描电镜及电子探针等分析测试设备对多元合金样品进行测试，对测试结果进行分析，与计算结果进行比较。　　研究结果表明:(1)含Ni高钒高铬铸铁的铸态结构主要由基体（马氏体和残余奥氏体）、球形碳化物VC、共晶碳化物M7C3组成。当高钒高铬铸铁中含碳量低时也出现了小颗粒M23C6型和M6C型碳化物，当高钒高铬铸铁中含C量增加时，可消除小颗粒M23C6型和M6C型碳化物。碳化物总和随含C量增加而增加，颗粒尺寸随含Ni量增加而减小;(2)随着基体中含C量及含Ni量的增加，奥氏体基体越来越稳定;(3)含Ni高钒高铬铸铁在高温回火时有二次硬化效应。当含C量为3.3wt％和含Ni量为0.8～1.2wt％时，含Ni高钒高铬铸铁最高硬度在560℃回火时达到HRC64。当含Ni高钒高铬铸铁中含C量较低时，最高硬度降低，其回火温度也降低。当高钒高铬铸铁中的含Ni量较高时，最高硬度也降低，但是其回火温度增加。回火最高硬度必须是回火马氏体、残余奥氏体分解和碳化物沉淀硬化的综合结果。(4)当合金成分设计适当时，可以通过高温560℃回火获得良好的性能。耐磨性比普通的含20％Cr的高铬铸铁提高5倍。通过正确的合金设计提高含Ni高钒高铬铸铁的耐磨性的关键是提高回火硬度。在同一硬度下，回火后的耐磨性能高于铸态的耐磨性。(5)由于加入Ni，确保了高钒高铬铸铁在铸态下相变成马氏体，残余奥氏体经过高温回火完全分解进而获得最高的硬度。可以避免高钒高铬铸铁在高温淬火情况下的剧烈氧化现象，使高钒高铬铸铁成为具有应用价值的耐磨材料。　　本文采用了独立于实验数据的基于第一性原理计算的晶格常数、结合能及体弹性模量构建了原子间相互作用势函数，该方法对于目前还没有足够实验数据的合金特别是多元合金的研究是一个很有效的方法。本文将F-S多体势扩展到多元合金，拓宽了理论的应用范围。　　本文利用建立的多元合金的原子间相互作用势研究了合金元素Ni、C对合金基体稳定性的影响。研究表明，对于基体成分为Fe-7.4Cr-2.21V-1.1Ni-1.4Si-(0.3～0.8)C的假想合金，随含C量增加(0.3～0.8)wt％，奥氏体基体越来越稳定（结合能分别为0.30C:-7.00843，0.40C:-7.13304，0.50C:-7.24485，0.55C:-7.38574，0.60C:-7.37162，0.70C:-7.38576，0.80C:-7.39566);对于基体成分为Fe-7.4Cr-2.21V-(1.02～2.88)Ni-1.4Si-0.9C的假想合金，随含Ni量的增加(1.02～2.88)wt％，奥氏体基体也是越来越稳定(1.02Ni:-7.279338，1.50Ni:-7.293562，2.03Ni:-7.323565，2.88Ni:-7.384556);当基体中含C量大于0.6wt％，含Ni量在1.02～1.50wt％范围内时，合金奥氏体基体较稳定。　　利用多元合金的原子间相互作用势对实验合金N5-N8的计算结果表明，当合金中Ni含量从0.8wt％至1.6wt％逐渐增加时，合金N5-N7的奥氏体基体越来越稳定(N5(0.8Ni):-7.11833,N6(1.2Ni):-7.21743,N7(1.6Ni):-7.26533);当合金中Ni含量达到2.4wt％时，奥氏体基体能量上升(N8(2.4Ni):-7.18431)，稳定性反而下降。计算结果与X射线衍射结果一致。合金N5-N8的奥氏体基体能量均高于其马氏体基体能量(N5:-6.89925，N6:-6.94115，N7:-7.03895，N8:-7.07067)，合金N5-N8倾向于奥氏体结构，通过X射线衍射对合金N5-N8进行相结构分析表明，合金N5-N8的基体以奥氏体为主，马氏体为辅。计算结果与实验结果一致。　　本文是在电子、原子层次上进行多元合金设计的一个初步探索，研究表明，由原子间相互作用势计算确定合适的基体成分，选择尝试的合金总成分，通过经验公式计算碳化物体积分数，取得与合适的相结构对应的合金总成分，由试验检验设计的合理性。这样的一种思路是可行的。