Термодинамическое и кинетическое моделирование эволюции карбонитридных выделений в сплавах на основе железа

• Автор: Горбачёв, Игорь Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 215 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Методы моделирования эволюции выделений в многокомпонентных сплавах

1.1. Термодинамическое моделирование

1.1.1. Термодинамические модели

1.1.1.1. Идеальный раствор

1.1.1.2. Модель регулярного раствора

1.1.1.3. Квазихимическое приближение

1.1.1.4. Подрешёгочиая модель

1.1.2. САЬРНАй-метод

1.1.3. Методы расчёта фазовых равновесий
1.1.4. Существующие программы для расчёта фазовых равновесий
1.2. КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
1.2.1. Эволюция выделений в бесконечной матрице в бинарном сплаве
1.2.2. Эволюция выделений в ограниченной матрице
1.2.3. Многокомпонентные системы
1.2.4. Эволюция полидисперсного ансамбля выделений
1.3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2. Термодинамическое моделирование
2.1. Алгоритм программы для расчёта фазовых равновесий
2.2. Термодинамическое описание системы Бе-У-Ш-ТьС-К
2.2.1. Ре-У-С-Ы
2.2.2. Ре-П-С-И
2.2.3. Ре-т-С-М
2.2.4. Выбор термодинамических параметров для шестикомпонентной системы Ре-У-Ш-
ТУС-М
2.3. Экспериментальная проверка полученного термодинамического 01 шсания
системы
2.4. Особенности карбонитридообразования в аустенитной области системы Бе-ТьУ-
№-С-Ы
Выводы
3. Кинетическое моделирование
3.1. Моделирование эволюции выделений второй фазы в многокомпонентных
сплавах с учётом диффузионного взаимодействия компонентов в растворе
3.1.1. Математическая модель
3.1.2. Методика численных расчетов
3.1.3. Сравнение результатов расчётов с экспериментальными данными
3.1.3.1. Выбор параметров расчёта

3.1.3.2. Анализ результатов моделирования
3.2. Учёт образования новых зародышевых центров
3.2.1. Математическая модель
3.2.2. Методика численных расчетов
3.2.3. Сравнение результатов расчётов с экспериментальными данными
3.2.3.1. Выбор параметров расчёта
3.2.3.2. Анализ результатов моделирования
3.2.4. Влияние исходного распределения частиц по размерам на кинетику их эволюции
3.3. Моделирование эволюции частиц второй фазы в многокомпонентных сплавах с
учётом диффузионного изменения их состава
3.3.1. Математическая модель
3.3.2. Методика численных расчетов
3.3.3. Сравнение результатов расчётов с экспериментальными данными
3.3.3.1. Выбор параметров расчёта
3.3.3.2. Анализ результатов моделирования
3.3.4. Влияние диффузионного изменения состава выделений на кинетику их эволюции..168 Выводы
Заключение
Список использованных источников
Приложение 1. Алгоритм выбора стартовых точек
Приложение 2. Организация базы данных программы
Приложение 3. Листинг файла subdistr.txt
Приложение 4. Набор термодинамических параметров для системы Ге-УЬ-ТЮ-Л

Введение
Актуальность работы.
В последние годы в связи с увеличением доступности и производительности вычислительной техники стало возможным моделирование фазовых и структурных превращений в металлических сплавах.
Моделирование фазовых и структурных превращений в реальных металлических сплавах является очень трудной задачей по причине сложности объекта моделирования. В первую очередь это относится к сталям, которые являются многокомпонентными системами, как правило, содержащими одновременно несколько элементов внедрения и замещения. При этом в сталях может образовываться несколько фаз, и не всегда заранее известно каких.
В тоже время разработка методов моделирования превращений в сталях является важной задачей, поскольку ее решение позволит значительно уменьшить объем дорогостоящих экспериментальных исследований, которые обычно необходимо проводить при оптимизации состава сталей и их режимов термической обработки.
Одним из наиболее перспективных методов повышения свойств сталей является их легирование сильными карбонитридообразующими элементами. Эти элементы образуют в сталях карбонитридные выделения, причем, состояние ансамбля карбонитридных выделений в ряде случаев решающим образом определяет свойства сталей этого класса. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в области моделирования поведения карбонитридных выделений в сталях. Современное состояние этой проблемы наиболее полно освещено в недавно вышедшей монографии Попова В.В. [1], куда вошли и некоторые из результатов представляемой диссертационной работы. Однако, несмотря на достигнутые успехи, вплоть до последнего

Из допущения о высокой скорости реакции на межфазной границе, которое находит своё отражение в виде граничного условия (1.40), следует, что на границе устанавливается локальное термодинамическое равновесие. Это означает, что концентрация диффундирующего в матрицу компонента на межфазной границе соответствует равновесной и может быть найдена напрямую из фазовой диаграммы. Это допущение не применимо, вообще говоря, во всех случаях, но для интересующих нас систем правомерность его использования подтверждается множеством экспериментальных результатов. Кроме того, в работе [51] Хиллерт и Агрен показали, что расчеты с использованием этого допущения справедливы даже при низких температурах, когда легирующие элементы имеют ограниченную
подвижность. Здесь же следует отметить, что допущение о локальном термодинамическом равновесии вплоть до настоящего времени продолжает использоваться в подавляющем большинстве подобных работ.
Решению диффузионного уравнения (1.38) кроме граничных условий (1.40), (1.42), должно удовлетворят условие баланса масс на межфазной границе:
Для решения данной задачи в работе [50] были проанализированы три приближения: стационарного поля, неподвижной границы и линейного градиента. В первом предполагается, что концентрационный профиль вокруг выделений мало изменяется со временем, поэтому правую часть уравнения диффузии (1.38) можно принять равной нулю. В этом случае получается легко решаемое уравнение Лапласа, которое позволяет найти распределение концентрации диффундирующего компонента в матрице. А при подстановке этого решения в (1.43) можно получить зависимость размера частиц от
(1.43)
где о[ — объем, приходящийся на один атом фазы