Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0023

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0023
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Моделирование из первых принципов и термодинамическое моделирование в приложении к разработке новых сталей
Докладчик
Хван Александра Вячеславовна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
- Предоставление научно-исследовательским организациям обновленной термодинамической базы данных и термодинамических моделей для проведения исследований в области разработки новых сталей;
- Получение моделей для моделирования k-карбида, 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
- Разработка высокомарганцовистых сталей нового поколения является одним из актуальных направлений в современном материаловедении, что подтверждается нарастающим количеством публикаций в данном направлении, а также финансированием различными фондами по всему миру программ по исследованию данных материалов.
Так называемые ТРИП и ТВИП стали обладают уникальным сочетанием высоких прочностных свойств и пластичности, что дает инженерам возможности в выборе дизайна, снижении веса конструкций, что, в первую очередь, привлекательно для автомобилестроения и авиации.
Актуальность и новизна исследования
Большой интерес к высокомарганцовистым Fe-Mn-Al-C сталям 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 привлекательно для автомобилестроения и авиации. Основой для разработки материалов с заданным и управляемым комплексом свойств являются диаграммы состояния и сопутствующая информация о физико-химическом взаимодействии.
Проведенные систематические исследования фазовых равновесий в системах Fe-Al-C, Mn-Al-C и Fe-Mn-Al-C показали перспективность данного направления:
- Впервые изучены фазовые равновесия в системе Mn-Al-С во всем интервале концентраций. Установлено наличие широкой области гомогенности κ-карбида Mn3AlC. Показано, что к-карбид плавиться конгруэнтно при температуре 1320°С и принимает участие в равновесиях с большинством фаз ограничивающих бинарных систем;
- Впервые экспериментально изучены термодинамические свойства κ-карбида (Fe,Mn)3AlC различного химического состава;
- Полученные данные использованы для качественного описания четырехкомпонентной системы Fe-Mn-Al-C;
- На основе экспериментальных данных и расчетов из первых принципов получено новое термодинамическое описание систем Fe-Al-C, Mn-Al-C и Fe-Mn-Al-C;
- Из первых принципов в рамках теории функционала плотности было проведено исследование фазовой стабильности в системах Fe-Mn-Cr и Fe-Mn-Nb при температуре 0 К. Было изучено влияние легирующих компонентов Cr и Nb на фазовую стабильность твердых растворов Fe-Mn. Было изучено влияние магнитного состояния аустенитной фазы на фазовый переход ГЦК →ГПУ.
Описание исследования

Для изготовления образцов использовали исходные компоненты высокой чистоты. Сплавы выплавляли в электродуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом на медном поде с водным охлаждением в среде аргона, гетерированного расплавленным титаном. Термообработку сплавов проводили в трубчатой печи в атмосфере аргона с последующей закалкой в воду или масло.

Для изучения растворимости углерода в ОЦК-железе (феррите) выплавленные сплавы отжигали при температурах 850 и 900°С в течение 200-300 часов. Отожженные сплавы исследовали методами микроструктурного (МСА), рентгенофазового (РФА) и микрорентгеноспектрального (МРСА) анализов. Для определения структурных составляющих сплавов и количества фаз в образцах использовали микроструктурный анализ. Микроструктуру сплавов исследовали методами оптической микроскопии (ОМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭM). Для определения фазового состава сплавов (идентификации фаз) применяли рентгенофазовый анализ и использовали образцы в фильтрованном излучении CuKα. Идентификацию фаз проводили путем сравнения экспериментальных рентгенограмм с известными или рассчитанными данными с использованием соответствующих программ.

Для изучения фазовых равновесий в системе Mn-Al-C выплавленные сплавы исследовали в литом и отожженном при 1200 и 1100°С состояниях. Для установления последовательности процессов кристаллизации, положения кривых совместной кристаллизации фаз на диаграмме плавкости, определения структурных составляющих сплавов и количества фаз в образцах использовали микроструктурный анализ. Термический анализ (ДТА) применяли для определения температур фазовых превращений. Исследования проводили в среде гелия. Скорость нагрева и охлаждения составляла 5°С / мин. Температуру фазовых превращений определяли по кривым нагрева. Температуры других эффектов определяли по точке начала появления теплового эффекта на дифференциальных термических кривых нагрева. Фазовый состав литых и отожженных сплавов определяли с помощью рентгенофазового анализа (РФА). Исследования проводили как от металлического образца так и от порошка фильтрованном излучении CuKα. Параметры решетки фаз рассчитывали с помощью программного обеспечения на основе метода наименьших квадратов.

Для изучения фазовых равновесий в четырехкомпонентной системе Fe-Mn-Al-C выплавленные сплавы исследовали в отожженном при  1000 и 1100°С состояниях методами МСА, МРСА и РФА.

Для  выполнения первопринципных расчетов  использованы следующие методы:

- метод точных МТ- орбиталей в приближении когерентного потенциала (EMTO-CPA).  В методе ЕМТО путем точного самосогласованного решения одноэлектронного уравнения Кона-Шема для пересекающихся МТ-потенциалов можно рассчитать полную энергию, термодинамические, магнитные и упругие свойства. Это позволяет достичь точности, сравнимой с полнопотенциальными методами, при этом сохраняется эффективность методов, основанных на использовании МТ-потенциалов. Отличительной особенностью ЕМТО является возможность проводить с помощью метода когерентного потенциала расчеты полной энергии и различных свойств  неупорядоченных сплавов;

- метод проекционных присоединенных волн, реализованный в  пакете первопринципного  моделирования (PAW- VASP). В методе VASP применение псевдопотенциалов не налагает никаких ограничений на форму потенциала и поэтому позволяет исследовать широкий круг материалов с различной структурой и характером межатомной связи. Использование первопринципных псевдопотенциалов позволяет рассчитать электронную структуру, магнитные и оптические свойства, проводить молекулярную динамику из первых принципов. Будучи гораздо менее трудоемкими, чем полнопотенциальные методы, псевдопотенциальные методы позволяют рассчитывать свойства сравнительно больших систем и учитывать релаксации атомов, что особенно важно при исследовании объектов с дефектами кристаллической структуры;

-метод моделирования материалов с неупорядоченными локальными моментами, основанный на комбинации методов магнитных специальных квазинеупорядоченных структур  и отбора магнитных реализаций, позволяющий моделировать свойства примесей в парамагнитной фазе магнитных материалов.

Результаты исследования

- Изучены фазовые равновесия в системе Fe-Al-C в богатой Fe области при 850 и 900°С. Показано, что растворимость С в ОЦК (феррите) не превышает 0.1 ат.%;

- Впервые изучены фазовые равновесия в системе Mn-Al-C при кристаллизации и при температурах 1200 и 1100°С. Построены проекции поверхностей ликвидус и солидус и изотермические. Показано, что Mn5C2, который в системе Mn-C образуется в твердом состоянии, в тройной системе принимает участие в равновесии с жидкой фазой. Mn3AlC (κ-карбид) плавится конгруэнтно при температуре 1320°С, однако, согласно предыдущим исследованиям, κ-карбид плавится 1730°С, что значительно выше, чем показано в данной работе;

- Установлено, что κ-карбид имеет широкую область гомогенности, которая по отношению Mn/Al распространяется от 13 до 27 ат.% Al, а по углероду от 17 до 20 ат.% С. Согласно предыдущим исследованиям κ-карбид не имеет области гомогенности, что противоречит нашим расчетам и экспериментальным данным;

- Изучены фазовые равновесия в системе Fe-Mn-Al-C при температурах 1100 и 1000°С. Построены изотермические сечения Fe-10Mn-Al-C и Fe-20Mn-Al-C при этих температурах. Показано, что растворимость C и Al в аустените уменьшается с понижением температуры, что согласуется с предыдущими исследованиями;

- Для качественного термодинамического описания системы нами изучены термодинамические свойства к разного состава. Используя полученные данные и расчеты из первых принципов, проведено новое термодинамическое описание систем Fe-Al-C, Mn-Al-C (рис. 1) и Fe-Mn-Al-C;

- В рамках теории функционала электронной плотности (PAW-VASP)  выполнен расчет энтальпий растворения примеси углерода (Hsol) ГЦК парамагнитных сплавах  на основе железа. Для расчета использована предложенная нами ранее схема, которая  позволяет учитывать тепловые магнитные флуктуации в парамагнитной матрице с точечными дефектами, адаптированная для материалов не только с  магнитным, но и атомным беспорядком. Показано, что в сплаве, содержащем марганец (Fe~ 20 at.% Mn),  энергия растворения углерода становится ниже относительно растворения в чистом парамагнитном γ-железе. Добавление  Al (~ 2 ат. % ) в сплав Fe-Mn увеличивает (Hsol), но при этом значение ниже, чем при растворении в γ-Fe.  Уменьшение энергии растворения углерода в сплавах с Mn, полученное теоретически, качественно согласуется с экспериментом;

- Первопринципными методами расчетов было показано, что легирование хромом и ниобием способствует стабилизации аустенитной фазы Fe-Mn в фазовом переходе ГЦК →ГПУ. Для  определения влияния магнитного состояния аустенита на разницу энергий ΔEhcp-fcc были рассмотрены антиферромагнитная (AFM) и парамагнитная (DLM) магнитные структуры. В системе Fe-Mn-Cr (рис. 2) в случае с антиферромагнитного состояния аустенита с увеличением содержания хрома точка пересечения ΔEhcp-fcc =0 смещается к меньшим концентрациям марганца. Наблюдается стабилизация аустенита. Этот эффект качественно согласуется с экспериментальными данными, согласно которым с увеличением концентрации хрома уменьшается температура фазового превращения аустенит-мартенсит. Антиферромагнитная ГЦК решетка становится полностью стабильной при содержании хрома XCr > 30 at.% (ΔEhcp-fcc  > 0). В системе Fe-Mn-Nb этот же эффект наблюдается при содержании ниобия XNb > 5 at.%.

Рис. 1. Диаграмма плавкости системы Mn-Al-C во всей области концентраций

Рис. 2. Влияние магнитного состояния аустенита и концентрации Cr на разницу энергий между фазами ГПУ и ГЦК

Практическая значимость исследования
- Полученные данные о строении диаграмм состояния трехкомпонентных систем тройных систем Fe-Al-C и Mn-Al-C, а также четырехкомпонентной системы Fe-Mn-Al-C, структуры и свойств сплавов сформировали фундамент, необходимый для разработки конструкционных и функциональных материалов с заданным комплексом свойств. Они позволяют сознательно выбрать оптимальное содержание основных и легирующих компонентов и условия термообработки материалов;
- Разработанное новое термодинамическое описание системы Fe-Al-Mn-С, которое было достигнуто путем совместного использования экспериментальных данных и расчетов из первых принципов, может быть использовано для оптимизации составов и режимов обработки при разработке высокомарганцовистых сталей (ТВИП и ТРИП сталей);
- Полученная термодинамическая база данных 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. Уточнение баз данных и моделей, используемых в расчетах, разработка алгоритмов проведения расчетов (в частности ЭДУ, мартенситного превращения), проведенное в данной работе 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, могут быть использованы в различных областях науки, таких как металлургия, минералогия, материаловедение, физическая химия и др.