Теория и моделирование кинетики фазовых превращений и структура фаз в сплавах железа

• Автор: Окишев, Константин Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 296 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление
Введение
1. Кинетика превращений аустенита в сплавах железа
1.1. Изотермическая кинетика диффузионного распада аустенита
1.1.1. Аустенит->ферритное превращение в сплавах Ре-9%Сг
1.1.1.1. Кинетика изотермического превращения
1.1.1.2. Температурная зависимость кинетических параметров
1.1.1.3. Зависимость кинетических параметров от концентрации углерода
1.1.2. Образование феррита и перлита в сталях
1.1.2.1. Определение кинетических параметров по экспериментальной диаграмме превращения переохлаждённого аустенита
1.1.2.2. Анализ диаграмм распада аустенита доэвтектоидных сталей
1.1.3. Новая кинетическая теория фазового превращения в условиях исчерпания мест зарождения
1.1.3.1. Общая теория
1.1.3.2. Анализ экспериментальных данных
1.2. Кинетика диффузионного распада аустенита при непрерывном охлаждении
1.2.1. Теория критической скорости охлаждения
1.2.1.1. Расчёты на основе интеграла Шейля-Штейнберга
1.2.1.2. Новая концепция расчёта неизотермического превращения
1.2.1.3. Сравнение с экспериментом
1.2.2. О расчёте прокаливаемое сталей
1.3. Кинетика образования мартенсита и бейнита
1.3.1. Кинетика формирования пакетных структур
1.3.1.1. Иерархия строения пакетных структур
1.3.1.2. Экспериментальные данные для сплавов Ре—№, Ре-Мп иРе-Сг
1.3.1.3. Модель независимого зарождения структурных
элементов пакета
1.3.1.4. Модель последовательного зарождения структурных элементов пакета
1.3.1.5. Сравнение теории и эксперимента
1.3.2. Кинетика мартен ситного превращения
1.3.2.1. Учёт неполноты превращения
1.3.2.2. Сравнение теории с экспериментальными данными
1.3.2.3. Возможности дополнительного уточнения теории
1.3.3. Кинетическая теория бейнитного превращения
1.4. Выводы по главе

2. Кинетика диффузионных превращений в высокоуглеродистых сплавах железо-хром-углерод
2.1. Кинетика растворения карбидов при нагреве высокохромистых сплавов
2.2. Кинетика перлитного превращения в высокохромистых сплавах
2.4. Выводы по главе
3. Анализ структурных изменений в цементите сталей при термической обработке
3.1. Возможные положения атомов углерода в решётке цементита
3.2. Дефекты упаковки в цементите
3.3. Выводы по главе
4. Взаимодействие водорода с точечными дефектами в железе и его сплавах
с ОЦК-решёткой
4.1. Взаимодействие атомов водорода с примесями замещения
4.1.1. Модель взаимодействия ближайших соседей
4.1.2. Модель блокировки первой координационной сферы примеси замещения
4.2. Взаимодействие атомов водорода с вакансиями
4.3. Выводы по главе
5. Взаимодействие растворённого водорода с межфазными границами феррит/цементит в углеродистых сталях
5.1. Кристаллогеометрия межфазной границы феррит/цементит
5.2. Теория адсорбции водорода на межфазной границе
5.3. Выводы по главе
Заключение
Выводы
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Фазовые и структурные превращения в сплавах железа традиционно являются одной из важнейших проблем физики твёрдого тела и материаловедения. Это обусловлено как многими особенностями самого железа — элемента, обладающего ферромагнитными свойствами, полиморфизмом, большим разнообразием протекающих в нём и его сплавах превращений и формирующихся в их результате структур, так и практической важностью этих сплавов — сталей и чугунов — как одного из самых распространённых в технике материалов.
За прошедшие десятилетия работами металловедов и металлофизиков мира был заложен фундамент теории превращения переохлаждённой у-фазы (аустенита) по различным механизмам, выяснены качественные и отчасти количественные кинетические законы, кристаллическая структура и структурные формы продуктов превращения и т.п., накоплен огромный экспериментальный материал. В последние полтора десятилетия повысился интерес к созданию эмпирических и полуэмпирических методов компьютерного расчёта кинетики превращений, протекающих в сталях при различных условиях термической обработки, которые начинают применяться и в реальной промышленной практике. В основном эти методы заключаются в создании на основе существующих теорий моделей образования тех или иных структур, подборе параметров этих моделей (зачастую довольно многочисленных) на основе эмпирических данных или термодинамических расчётов, и последующем расчёте хода превращений в реальном цикле термической обработки при помощи численных методов, что сравнительно легко реализуемо с использованием современной компьютерной техники.
В то же время методам аналитического решения задач кинетической теории фазовых превращений внимания уделяется меньше, и ряд вопросов требуют дополнительной разработки. В их числе можно указать, в частности: истинную роль работы зарождения в определении общей кинетики превращения; развитие превращения в условиях исчерпания мест зарождения при различном характере роста новой фазы; взаимосвязь кинетики превращения при постоянной и переменной температуре (непрерывном охлаждении); взаимосвязь специфики строения пакетных структур мартенсита и бейнита и кинетики их формирования; причину незавершения мартенситного превращения; факторы, определяющие кинетику бейнитного превращения, и др.
Другой особенностью современной физики твёрдого тела является бурный рост числа работ, посвящённых моделированию структуры фаз «из первых принципов». Эти методы позволяют получать уникальную информацию об особенностях локальной атомной структуры и энергиях различных реальных и гипотетических состояний. Эти новые данные дают основу для построения термодинамических моделей, описывающих свойства фаз, на основе реальной, а не предположительной, информации о конфигурациях атомов и дефектов решётки и энергиях их взаимодействий.

Таблица
Значения Т5, II и С, для сплавов 04X9 и 05X9 при различных значениях т _________(в числителе — для /=0,05, в знаменателе — для /=0,50)
Сплав 3 II о 7л о 3 д о о т=2,00 т=3,
04X9 812 815 830
Т* °с
05X9 760 760 760
и, 04X9 213/257 292/312 367/380 463 /
кДж/моль 05X9 364/289 394/328 454 / 405 521 /
04X9 —28,2/—32,4 —35,2/—36,6 —38,6/—39,3 —53,8/—52,
1п С,
05X9 —46,7/—37,0 —47,8/—39,2 —49,8/—43,4 -61,6/—57,
10 10 Время, с

850 800

| 650 Н

11 ...м., 1 —’
- 1 О д V :
- 05X9 у -
• 0,01 ^ Чу
- □ 0
■ о 0,
. л 0,50 _
< О 40 о
■ ■ * ■■■..! ■ ■ ■■■.■! . ......1—, .

10 10 Время, с

Рис. 8. Сопоставление диаграмм образования феррита в сплавах 04X9 и 05X9, рассчитанных при т = 2, с экспериментальными данными. Пунктирные линии — для п = 4 (до исчерпания мест зарождения), сплошные линии — для п = 1 (04X9) и и = 2 (05X9) (после исчерпания). Степени превращения указаны на графиках