Введение к работе
Актуальность темы. 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 времени при моделировании поведения карбонитридов в сталях не удавалось отказаться от многих достаточно грубых упрощающих допущений, что существенно ограничивало возможности использования расчетных методов для решения практических задач. Поэтому исключительно важным является создание моделей и алгоритмов, адекватно описывающих эволюцию карбонитридных выделений в сталях в максимально общем случае.
Цели и задачи работы. Основной целью работы является развитие методов термодинамического и кинетического моделирования поведения карбонитридных выделений в сталях и разработка соответствующих алгоритмов, а также проведение термодинамических и кинетических расчетов с целью анализа влияния различных факторов на равновесный фазовый состав сталей и состояние ансамбля карбонитридных выделений.
В работе ставились следующие задачи: 1. Разработать методы расчета равновесного фазового состояния многокомпонентных многофазных сплавов и осуществить их численную реализацию.
2. Оптимизировать набор термодинамических параметров, совокупность
которых дает термодинамическое описание шестикомпонентной системы
Fe-V-Nb-Ti-C-N.
3. С помощью разработанного алгоритма провести расчёты
карбонитридообразования в малоуглеродистых сталях, легированных V, Nb
и Ті, и по результатам расчётов проанализировать влияние состава стали и
температуры на растворимость карбонитридов.
Разработать модели для кинетического моделирования эволюции полидисперсного ансамбля выделений постоянного состава в многокомпонентной системе на всех стадиях процесса и осуществить их численную реализацию в виде программного продукта.
Разработать алгоритм для расчета эволюции монодисперсного ансамбля выделений переменного состава.
С помощью разработанных алгоритмов выполнить расчеты и проанализировать влияние различных факторов на кинетику эволюции выделений.
Научная новизна.
Разработан метод расчета равновесного фазового состава в многофазных многокомпонентных сплавах, основанный на поиске минимума интегральной энергии Гиббса с помощью методов нелинейного программирования при специальном выборе стартовых точек, и осуществлена его численная реализация.
На основе CALPHAD-метода построено взаимосогласованное термодинамическое описание системы Fe-V-Nb-Ti-C-N, выполнены термодинамические расчеты для железного угла шестикомпонентной системы Fe-V-Nb-Ti-C-N и проанализированы их результаты.
Создан метод, позволяющий в рамках единого подхода проводить моделирование эволюции полидисперсного ансамбля выделений в многокомпонентных системах в процессе изотермического отжига на всех стадиях процесса, начиная со стадии зарождения, и кончая стадией стационарной коагуляции.
Разработан алгоритм, позволяющий моделировать эволюцию монодисперсного ансамбля карбонитридных выделений с учетом протекающих в них диффузионных процессов. Проведенные расчеты показали значительное влияние диффузии в частицах на кинетику эволюции выделений.
На защиту выносятся:
Метод расчёта равновесного фазового состава в многокомпонентных многофазных системах на основе поиска минимума энергии Гиббса
методами нелинейного программирования при использовании специально выбираемого набора стартовых точек.
Взаимосогласованное термодинамическое описание шестикомпонентной системы Fe-V-Nb-Ti-C-N.
Результаты термодинамических расчетов фазового равновесия для малоуглеродистых низколегированных сталей с добавками V, Nb и Ті и анализ их результатов.
Метод расчета эволюции полидисперсного ансамбля выделений в многокомпонентных системах в процессе изотермического отжига на всех стадиях процесса в рамках единого подхода.
Результаты расчетов эволюции полидисперсного ансамбля выделений в случае одинакового исходного среднего размера выделений, но различных начальных распределений частиц по размерам.
Алгоритм для моделирования эволюции выделений, учитывающий протекание диффузионных процессов в частицах. Результаты анализа учета влияния этого фактора.
Научная и практическая ценность. Разработанные модели и алгоритмы направлены на решение задачи прогнозирования фазового состава и структуры многокомпонентных многофазных систем. В данной работе эти методы нашли приложение для сплавов на основе железа, легированных сильными карбонитридообразущими элементами. Это имеет весьма высокую практическую значимость из-за широкого использования и постоянного развития сплавов данного класса. Применение представленных методов моделирования позволяет значительно уменьшить время и стоимость исследований, необходимых при разработке новых и совершенствовании существующих марок сталей. Востребованость развития новых методов термодинамического и кинетического моделирования фазовых превращений в сталях подтверждается тем, что данная работа поддерживалась проектом РФФИ-Урал, грантами Магнитогорского металлургического комбината, молодежным проектом УрО РАН, а разработанные в диссертации алгоритмы были использованы при выполнении хозяйственных договоров.
Степень достоверности результатов. В данной диссертационной работе для моделирования эволюции карбонитридных выделений в сплавах на основе железа использовались термодинамические и кинетические методы. Достоверность результатов термодинамического моделирования обеспечивается применением моделей, имеющих строгую физическую основу, использованием в данных моделях широко апробированных параметров решёточных стабильностей, и других термодинамических параметров, хорошо зарекомендовавших себя в описаниях систем, базовых по отношению к описываемой системе Fe-V-Nb-Ti-C-N. Уточнённые или вновь
предложенные в данной работе параметры выбирались таким образом, чтобы обеспечить наилучшее согласие с имеющимися экспериментальными данными, что дополнительно увеличивает надёжность полученного описания. Корректность работы программы контролировалась на всех этапах её модернизации различными способами, в том числе путём сравнения результатов её работы с литературными данными по фазовому составу ряда систем.
В разработанных кинетических методах используются модельные упрощения и допущения, уже применявшиеся ранее (по отдельности) в ряде физических моделей и доказавшие свою адекватность. Кроме того, достоверность предложенных методов моделирования кинетики следует из удовлетворительного согласия результатов расчётов, выполненных с использованием данных алгоритмов, с существующими экспериментальными данными.
Личный вклад автора. Большинство результатов, вошедших в диссертационную работу, были получены автором самостоятельно под руководством научного руководителя. При построении алгоритмов в части организации параллельных вычислений автору оказывала помощь с.н.с. института Математики и механики УрО РАН, к.ф.-м.н. Е.Н. Акимова, а в разработке кинетических методов моделирования с учётом зарождения выделений участвовала студентка УГТУ-УПИ Ю.А. Алябьева, которая выполняла курсовые и дипломную работу в лаборатории диффузии при научной и методической консультации И.И. Горбачёва.
Апробация результатов работы. Результаты работы и отдельные ее разделы были доложены и обсуждены на ряде Всероссийских и Международных конференций, в том числе 4-ой Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2002), III Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2004), школе-семинаре "Современные проблемы Математического Моделирования". (Ростов-на-Дону. 2005), IV, V, VI, VII и IX Молодежных семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург 2003, 2004, 2005, 2006, 2008 г.), Научных сессиях института физики металлов 2003, 2005, 2006), International conference "Numerical Methods in Continuum Mechanics" (Zilina, Slovak Republic, 2005), International conference DSL-2005, International conference «Diffusion and Thermodynamics of Materials» (Brno, Czech Republic, 2006), 4-th International workshop "DIFTRANS-07" (Sofiyivka (Uman), Ukraine. 2007).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 11-ти статьях, в том числе в 6-ти рецензируемых журналах, определенных Перечнем ВАК (первые в списке опубликованных работ, приведённом в конце автореферата).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх г лав, заключения и четырёх приложений. Работа изложена на 215 страницах, содержит 43 рисунка, 3 таблицы, список цитированной литературы из 152 наименований.
