Регистрация / Вход
Прислать материал

Моделирование из первых принципов и термодинамическое моделирование в приложении к разработке новых сталей

Номер контракта: 14.587.21.0023

Руководитель: Хван Александра Вячеславовна

Должность: директор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
термодинамическое моделирование, расчеты из первых принципов, фазовые равновесия, фазовые превращения, энергия деффекта упаковки, структурная стабильность, мартенситное превращение, k-карбид, растворимость углерода

Цель проекта:
Цели и задачи проекта: -Предоставление научно-исследовательским организациям обновленной термодинамической базы данных и термодинамических моделей для проведения исследований в области разработки новых сталей; -Получение моделей для моделирования метастабильной ГП фазы, расчета мартенситного превращения и ЭДУ, которые позволят объяснить процессы, являющиеся критическими при создании новых видов высокомарганцовистых сталей; -Освоение новых моделей позволит ускорить и оптимизировать процессы внедрения новых видов сталей в отечественное производство Цели реализуемого проекта: • Получить достоверное экспериментальное и теоретическое (термодинамическое моделирование) описание системы Fe-Al-Mn-C; • Рассчитать упорядочение-разупорядочение в к-карбид/ГЦК фазах, в системах Fe-Al-C, Mn-Al-C; • Получить описание ГП фазы ɛ-мартенсит и рассчитать мартенситного превращение; • Оценить влияние легирующих элементов на ЭДУ (энергия дефектов упаковки)

Основные планируемые результаты проекта:
Для достижения поставленных целей будут получены следующие результаты:
•Детально экспериментально исследованы системы Fe-Al-C, Mn-Al-C, Fe-Mn-Al-C;
•Разработаны модели для описания фаз, в том числе метастабильных;
•Разработана модель для описания к-карбида;
•Разработано новое термодинамическое описание системы Fe-Al-Mn-С, что будет достигнуто путем совместного использования данных из расчетов из первых принципов и экспериментальных данных;
•Будет проведен расчет фазовых равновесий, образования карбидов, температуры мартенситного превращения, проведена оценка энергии дефекта упаковки;
•База данных Fe-Al-Mn-C будет интегрирована в базу данных PrecHiMn, что приведет к расширению последней. База данных PrecHiMn уже используется исследовательскими центрами таких промышленных компаний как ThyssenKrupp AG и ArcelorMittal, для оптимизации
процессов производства новых видов сталей;
•Для заинтересованных индустриальных партнеров будут продемонстрированы новые теоретические основы и, основанные на них, инструменты для разработки новых сталей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработка высокомарганцовистых сталей нового поколения является одной из наиболее интересных и актуальных направлений в современном материаловедении, что подтверждается нарастающим количеством публикаций в иностранных изданиях в данном направлении, а также финансированием различными фондами по всему миру программ по исследованию данных материалов. В качестве примеров можно привести: проект, поддержанный Европейской комиссией (European Commision Research fund for Coal and Steel) Precipitation in high manganese steels RFS-PR-09045 (2010-2014 гг.), программы поддержанные немецким фондом DFG: SFB799 TRIP Matrix Composite (2008-2016), SFB 761 "Steel -ab initio; quantum mechanics guided design of new Fe based materials" (2007-2015 гг.), проекты, поддержанные в Южной Кореи: ICT and Future Planning (2013008806) Basic Science Research Program, NRF of Korea Ministry of Science и NRF(No. 2008-0061900) Korea government (MSIP).
Большой интерес к этому типу сталей (это так называемые ТРИП и ТВИП стали), обоснован тем, что они обладают уникальным сочетанием высоких прочностных свойств и высокой пластичности, что дает инженерам возможности в выборе дизайна, снижении веса конструкций и
оптимизации общей технологии производства изделий, что в первую очередь привлекательно для автомобилестроения и авиации. Однако оптимизация составов и процессов производства высокомарганцовистых сталей осложнена тем, что деформационное упрочнение (которое является основным механизмом упрочнения) этих материалов сильно зависит от внешних условий в особенности от температуры.
Основные механизмы деформационного упрочнения в этих материалах: двойникование, образование дефектов упаковки, мартенситное превращение и дислокационное скольжение. Поскольку все эти механизмы напрямую связаны с энергией дефекта упаковки, то возможность
моделирования этого параметра, которая будет рассматриваться в данном проекте, является одной из ключевых задач, решение которой позволит оптимизировать составы сталей, а также процессы их производства. Экспериментальные методы определения энергии дефекта упаковки методами просвечивающей микроскопии требуют больших затрат времени и является трудоемкими, поэтому возможность проведения расчетов должно значительно ускорить процессы исследования данных материалов.
Основой для получения качественных результатов расчетов является достоверное термодинамическое описание системы, с помощью которого можно проводить расчеты различных термодинамических свойств, а также моделировать процессы кристаллизации, распада
растворов и других фазовых превращений. В данном проекте предлагается использовать метод моделирования термодинамических свойств Кальфад (Calphad - Расчет диаграмм состояния и термохимических свойств), позволяющий создавать термодинамические базы данных, которые с одной стороны работают с коммерческим программным обеспечением, широко используемым как в исследовательских лабораториях, так и инженерами на промышленных предприятиях, а с другой соответствуют основным принципам построения баз данных, которые приняты в международном научном сообществе, что позволяет их дополнять, используя, как свои результаты, так и результаты других исследовательских групп в зависимости от поставленных задач.
Данный метод основан на том, что фазовая диаграмма олицетворяет собой равновесие термодинамических свойств в системе, которые в свою очередь представляют собой сумму термодинамических свойств отдельных фаз. Таким образом, можно рассчитать диаграмму состояния, имея первоначально описания для всех фаз в системе. При этом для получения полноценного описания каждой фазы (т.е. функции для энергии Гиббса) в отдельности и всей системы в целом для оптимизации переменных параметров используются все имеющиеся данные по термодинамическим свойствам и фазовым равновесиям и переходам. Оптимальные значения оптимизируемых параметров модели должны давать наилучшую сходимость с имеющимися экспериментальными данными, что, как правило, делается с использованием методов наименьших квадратов. При этом современное программное обеспечение позволяет использовать в процессе до 99 переменных параметров с использованием до 1000 экспериментальных данных.
Первоначально в данном методе в качестве входных, данных использовались только экспериментальные значения, однако с развитием моделирования из первых принципов, стало возможным использовать значения, полученные из теоретических расчетов. В предлагаемом
проекте будет использоваться интегрированный подход, при котором будут проводиться взаимодополняющие экспериментальные исследования и теоретические расчеты из первых принципов, что позволит получить в результате наиболее достоверную модель описания
термодинамической системы, что особенно важно в данной работе, поскольку в данной работе, где одной из задач являются расчеты энергии дефекта упаковки и моделирование температуры мартенситного превращения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Научной группой в НИТУ «МИСиС» будут получены новые экспериментальные данные по фазовым равновесиям и термодинамическим свойствам в системах Mn-Al-C и Fe-Al-Mn-C, при этом система Mn-Al-C будет исследована экспериментально детально впервые (на данный момент по этой системе есть только приблизительные данные по двум изотермическим сечениям при 700 и 1000 °С, основанные на компиляции разрозненных экспериментальных данных и допущении о сходстве систем Fe-Al-C и Mn-Al-C). В анализе системы Fe-Al-Mn-C будет уделено особое внимание равновесию между ГЦК фазой и к-карбидом, а также возможным областям стабильности других фазовых областей. С помощью экспериментальных методов будут проводиться работы по определению растворимости углерода в ОЦК фазе, однако точность определения растворимости углерода экспериментальными методами не очень высока. В тоже время при помощи метода проекционных присоединенных волн, реализованный в венском пакете первопринципного моделирования будут получены результаты расчета энергии растворения углерода в неупорядоченных Fe-Mn, Fe-Al-Mn сплавах в парамагнитном состоянии. Комбинированное использование экспериментальных данных и результатов расчета позволит нам наиболее точно определить особенности растворения углерода в ОЦК фазе в исследуемых системах.
Основная роль Linköping University в данном проекте будет заключаться в разработке новых теоретических методов моделирования материалов в реальных условиях, максимально приближенным к условиям их эксплуатации и передаче полученной экспертизы партнерам в
НИТУ «МИСиС». В частности, Linköping University уделит внимание учету влияния эффектов конечной температуры и сильных электронных корреляций. С использованием новейших методов моделирования, данные полученные в НИТУ «МИСиС» будут дополнены результатами расчетовиз первых принципов, проводимых группой в Linköping University. Также группа в Linköping University получит результаты по стабильности упорядоченных карбидов железа, причем моделирование будет проведено не только в нормальных, но и в экстремальных условиях высоких температур и давлений. В частности из литературных данных известно, что синтезировать чистый к-карбид для анализа его свойств в системе Fe-Al-C достаточно сложно, в связи с присутствием частиц графита. Можно предположить, что такие же сложности могут возникнуть при анализе к-карбида в систем Al-Mn-C, таким образом данные, которые будут получены в Linköping University будут иметь особую важность.На основании результатов полученных в НИТУ «МИСиС» и Linköping University будут сделаны новые термодинамические описания систем Fe-Al-C, Mn-Al-C совместно группами в НИТУ «МИСиС» и RWTH Aachen. Будет проведена совместная работа между тремя группами по созданию модели описания метастабильной фазы ГП (ε-мартенсит), в результате которой будет возможно рассчитать
температуру данного мартенситого превращения, а также получить необходимые данные для моделирования энергии деффекта упаковки.
В результате совместной работы будет расширена термодинамическая база данных PrecHiMn Steels, которая на данный момент уже используется в R&D центрах компаний Thyssen Krupp и Arcelor Mittal.
С целью дальнейшего расширения базы данных будут проведены дополнительные первичные исследования в системах с добавками Сr и Mn. При этом будет использоваться метод точных МТ-орбиталей в приближении когерентного потенциала (EMTO-CPA) будут рассчитаны термодинамические характеристики неупорядоченных Fe-Mn-X (X=Cr or Nb) сплавов в трех кристаллических структурах (ОЦК, ГЦК, ГПУ), определены равновесные характеристики и области стабильности кристаллических структур.
Результаты исследования могут быть использованы для оптимизации составов и режимов
обработки при разработке высокомарганцовистых сталей.
Полученная расширенная термодинамическая база данных PrecHiMn (Fe-Mn-Al-Si-V-Nb-C-N) может быть использована для проведения расчетов с целью определения фазовых превращений, проходящих в различных типах сталей, как в процессе кристаллизации, так и в процессе отжига непосредственно на промышленных предприятиях. На данный момент инженерные центры промышленных предприятий РФ, в частности технические центры предприятий Северсталь и ОМК, используют для оптимизации процессов производства в своей работе программное обеспечение для проведения термодинамических расчетов, поэтому уточнение баз данных и моделей, используемых в расчетах, разработка алгоритмов проведения расчетов (в частности ЭДУ, мартенситного превращения), способствует улучшению данных расчетов. В тоже время использование таких расчетов значительно сокращает как временные, так и финансовые затраты при оптимизации процессов, что особенно важно при запуске в производство новых видов сталей, что в свою очередь должно повысить конкурентно способность отечественных предприятий. Новые методы теоретического моделирования и полученные фундаментальные данные, в том числе и справочного характера, могут быть использованы в различных областях науки, таких как металлургия, минералогия, материаловедение, физическая химия и т.д.
Потребителями результатов данных исследований будут прикладные лаборатории, в том числе заводские исследовательские центры, занимающиеся непосредственной разработкой сталей и оптимизацией процессов производства. Полученная обновленная база данных PrecHiMn будет использована в R&D центрах промышленных предприятий, в частности предыдущие версии этой базы уже используются в
работе центрах компаний "Thyssen Krupp" и "Arcelor Mittal". Особую заинтересованность в результатах исследования и их применения в решении текущих задач проявил исследовательский центр компании ПАО "СеверСталь".

Текущие результаты проекта:
1. Проведен Аналитический обзор литературы по экспериментальным и термодинамическим данным систем Fe-Al-C, Mn-Al-C и по расчетам из первых принципов;
2. Проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96;
3. Получены лабораторные образцы для построения термодинамических баз данных и построения фазовых диаграмм;
4. Впервые проводится анализ поверхности ликвидуса системы Mn-Al-C;
5.Разработана методика проведения экспериментальных исследований с использованием термического анализа, микроструктурного анализа, калориметрических измерений;
6. Проведены выбор и апробация методики моделирования материалов в системе Fe-Al-Mn-C.