Ab initio моделирование энергии межфазных границ α-Fe/Fe3C с ориентационными соотношениями типа Багаряцкого

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Одной из основных структурных составляющих углеродистых и низколегированных сталей является перлит. В нем между объемно-центрированной кубической ферритной и ромбической цементитной Fe3C фазами могут наблюдаться ориентационные соотношения Багаряцкого, Исайчева и Питча. В низкотемпературном перлите, имеющем наибольшую прочность, преобладают первые два, которые близки друг к другу и в эксперименте не всегда разделены. В настоящем исследовании проведено моделирование из первых принципов с помощью теории функционала плотности в программном пакете WIEN2k структуры и энергии когерентных межфазных границ α-Fe/Fe3C. Суперячейки подвергали структурной и объемной оптимизации. Расчеты поверхностной энергии межфазных границ дали значения 0.383 и 0.594 Дж/м2 для ориентационных соотношений Багаряцкого и Исайчева соответственно. Это хорошо согласуется с существующими экспериментальными значениями и результатами других молекулярно-динамических и первопринципных расчетов. Различие в поверхностной энергии может играть существенную роль для низкотемпературного перлита с малой толщиной пластин феррита и цементита и большой площадью межфазных границ в единице объема.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Верховых

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, 454080, Челябинск

А. А. Мирзоев

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, 454080, Челябинск

К. Ю. Окишев

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, 620002, Екатеринбург

Н. С. Дюрягина

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: diuriaginans@susu.ru
Россия, 454080, Челябинск

Список литературы

  1. Счастливцева В.М. Цементит в углеродистых сталях: коллективная монография / Под ред. акад. Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2017. 380 с.
  2. Nagakura S., Hirotsu Y., Kusunoki M., Suzuki T., Nakamura Y. // Metall. Trans. A. 1983. V. 14. № 6. P. 1025. https://www.doi.org/10.1007/BF02670441
  3. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 240 с.
  4. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: ВО "Наука", 1993. 280 с.
  5. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. М.: Металлургия, 1994. 288 с.
  6. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л., Окишев К.Ю., Табатчикова Т.И., Хлебникова Ю.В. Перлит в углеродистых сталях. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 312 с.
  7. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. Киев: Наукова думка, 1974. 232 с.
  8. Li Y., Raabe D., Herbig M., Choi P.-P., Goto S., Kost-ka A., Yarita H., Borchers C., Kirchheim R. // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. № 10. P. 106104. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.106104
  9. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. Киев: Наукова думка, 1987. 208 с.
  10. Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Valiev R.Z., Fecht H.-J. // Acta Materialia. 2003. V. 51. № 18. P. 5555. https://www.doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00419-1
  11. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Хлебникова Ю.В., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И. // Физика металлов и металловедение. 2003. Т. 96. № 4. С. 44.
  12. Zhou Y.T., Shao X.H., Zheng S.J., Ma X.L. // J. Mater.Sci. Technol. 2022. V. 101. P. 28. https://www.doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.061
  13. Макаров А.В., Саврай Р.А., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И., Яковлева И.Л., Хлебникова Ю.В., Егорова Л.Ю. // Физика металлов и металловедение. 2004. Т. 97. № 5. С. 94.
  14. Макаров А.В., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И., Яковлева И.Л., Егорова Л.Ю. // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 111. № 1. С. 97.
  15. Багаряцкий Ю.А. // Доклады АН СССР. 1950. Т. 73. № 6. С. 1161.
  16. Pitsch W. // Acta Metallurgica. 1962. V. 10. № 9. P. 897. https://doi.org/10.1016/0001-6160(62)90108-6
  17. Petch N.J. // Acta Crystallographica. 1953. V. 6. P. 96. https://www.doi.org/10.1107/S0365110X53000260
  18. Сухомлин Г.Д. // Физика металлов и металловедение. 1974. Т. 38. № 4. С. 878.
  19. Ohmori Y., Davenport A.T., Honeycombe R.W.K // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1972. V. 12. № 5. P. 128. https://www.doi.org/10.2355/isijinternational1966.12.128
  20. Исайчев И.В. // Журнал технической физики. 1947. Т. 17. № 7. С. 835.
  21. Zhou D.S., Shiflet G.J. // Metall. Trans. A. 1992. V. 23. № 4. P. 1259. https://www.doi.org/10.1007/BF02665057
  22. Zhang M.-X., Kelly P.M. // Scripta Materialia. 1997. V. 37. № 12. P. 2009.
  23. Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. // Физика металлов и металловедение. 1974. Т. 38. № 3. С. 571.
  24. Сухомлин Г.Д. // Физика металлов и металловедение. 1976. Т. 42. № 5. С. 965.
  25. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Хлебникова Ю.В., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И. // Физика металлов и металловедение. 2001. Т. 92. № 6. С. 81.
  26. Zhou Y.T., Zheng S.J., Jiang Y.X., Zhao T.Z., Wang Y.J., Ma X.L. // Philosophical Magazine. 2017. V. 97. № 27. P. 2375. https://www.doi.org/10.1080/14786435.2017.1332434
  27. Ohmori Y. // ISIJ Int. 2001. V. 41. № 6. P. 554. https://www.doi.org/10.2355/isijinternational.41.554
  28. Bhadeshia H.K.D.H. // J. Mater. Sci. Technol. 2018. V. 34. № 14. P. 1666. https://www.doi.org/10.1080/02670836.2018.1470746
  29. Kraposhin V., Jakovleva I., Karkina L., Nuzhny G., Zubkova T., Talis A. // J. Alloys Compd. 2013. V. 577. P. S30. https://www.doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.10.102
  30. Dippenaar R.J., Honeycombe R.W.K. // Proc. Royal Soc. A. 1973. V. 333. № 1595. P. 455. https://www.doi.org/10.1098/rspa.1973.0073
  31. Mangan M.A., Shiflet G.J. // Metallurgical Mater. Trans. A. 1999. V. 30. № 11. P. 2767. https://www.doi.org/10.1007/s11661-999-0114-9
  32. Lupton D.F., Warrington D.H. // Metallography. 1972. V. 5. № 4. P. 325.
  33. Shackleton D.N., Kelly P.M. // J. Iron and Steel Institute. 1969. V. 207. P. 1253.
  34. Morgan R., Ralph B. // J. Iron and Steel Institute. 1968. V. 206. P. 1138.
  35. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Кабанова И.Г., Счастливцев В.М., Зубкова Т.А. // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 11. С. 1599.
  36. Thompson S.W., Howell P.R. The Habit Plane of Cementite Formed in Austenite with a Pitsch-like Orientation Relationship. // Proc. Int. Conf. Solid-to-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials PTM'94. USA: Nemacolin, PA. 1994. Р. 1127.
  37. Shackleton D.N., Kelly P.M. // Acta Metallurgica. 1967. V. 15. № 6. P. 979.
  38. Ohmori Y., Davenport A.T., Honeycombe R.W.K. // Transactions ISIJ. 1972. V. 12. № 5. P. 112.
  39. Kim J., Ghaffarian H., Ryu S., Kang K. // Computational Mater. Sci. 2020. V. 173. P 109375. https://www.doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.109375
  40. Guziewski M., Coleman S.P., Weinberger C.R. // Acta Materialia. 2016. V. 119. P. 184. https://www.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.017
  41. Guziewski M., Coleman S.P., Weinberger C.R. // Acta Materialia. 2018. V. 155. P. 1. https://www.doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.051
  42. Верховых А.В., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Математика, механика, физика". 2018. Т. 10. № 4. С. 78. https://www.doi.org/10.14529/mmph180409
  43. Andrews K.W. // Acta Metallurgica. 1963. V. 11. № 8. P. 939. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(63)90063-4
  44. Fasiska E.J., Jeffrey G.A. // Acta Cryst. 1965. V. 19. P. 463. https://www.doi.org/10.1107/S0365110X65003602
  45. Урсаева А.В., Рузанова Г.Е., Мирзоев А.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Математика, механика, физика". 2010. Т. 9. № 2. С. 97.
  46. Барабаш О.М., Коваль Ю.Н. Структура и свойства металлов и сплавов: Справочник. Кристаллическая структура металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1986. 600 с.
  47. Verkhovykh A.V., Okishev K.Yu., Mirzoev A.A., Mirzaev D.A. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Математика, механика, физика". 2014. Т. 6. № 2. С. 49–55.
  48. Schwarz K., Blaha P. // Comput. Mater. Sci. 2003. V. 28. № 2. P. 259e273.
  49. Верховых А.В., Окишев К.Ю., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Металлургия", 2017. Т. 17. № 1. С. 35. https://www.doi.org/10.14529/met170104
  50. Mirzoev A.A., Verkhovykh A.V., Okishev K.Yu., Mirza-ev D.A. // Molecular Physics. 2018. V. 116. № 4. P. 482. https://www.doi.org/10.1080/00268976.2017.1406161
  51. Finnis M.W. // J. Phys.: Condensed Matter. 1996. V. 8. № 32. P. 5811. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/8/32/003
  52. Kramer J.J., Pound G.M., Mehl R.F. // Acta Metallurgica. 1958. V. 6. № 12. P. 763. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(58)90051-8
  53. Martin J.W., Doherty R.D., Cantor B. Stability of microstructure in metallic systems. Cambridge University Press, 1997. 427 p.
  54. Kirchner H.O.K., Mellor B.G., Chadwick G.A. // Acta Metallurgica. 1978. V. 26. № 6. P. 1023. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(78)90052-4
  55. Li C.Y., Blakely J.M., Feingold A.H. // Acta Metallurgica. 1966. V. 14. № 11. P. 1397. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(66)90159-3
  56. Zhang X., Hickel T., Rogal J., Fähler S., Drautz R., Neugebauer J. // Acta Materialia. 2015. V. 99. P. 281. https://www.doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.075
  57. Ruda M., Farkas D., Garcia G. // Computational Mater. Sci. 2009. V. 45. № 2. 550. https://www.doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.11.020
  58. Kim J., Kang K., Ryu S. // Int. J. Plasticity. 2016. V. 83. P. 302. https://www.doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.04.016

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Взаимное положение плоскостей 1 и 6 атомов железа в структуре цементита (а) и плоскостей 6 цементита и 1 феррита на межфазной границе

Скачать (283KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Суперячейки с межфазной границей феррит/цементит до объемной и структурной оптимизации ОС Багаряцкого (а) и ОС Исайчева (б).

Скачать (591KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость относительной энергии системы от общего объема системы.

Скачать (146KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики зависимости межплоскостного расстояния вблизи межфазной границы для изначальной структуры и структуры после проведения оптимизации ОСБ (а) и ОСИ (б). Отрицательные номера соответствуют плоскостям феррита, положительные – цементита.

Скачать (299KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024