АНАЛІЗ РОЗТВОРНОСТІ КАРБІДІВ, НІТРИДІВ І КАРБОНІТРИДІВ У СТАЛЯХ МЕТОДАМИ КОМП’ЮТЕРНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ
Ціна:
Автори роботи:
Науковий журнал:
Рік виходу:
Текст наукової статті на тему «АНАЛІЗ РОЗТВОРНОСТІ КАРБІДІВ, НІТРИДІВ І КАРБОНІТРИДІВ У СТАЛЯХ МЕТОДАМИ КОМП'ЮТЕРНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ. IV. РОЗТВОРНІСТЬ КАРБІДІВ, НІТРІДІВ І КАРБОНІТРИДІВ У СИСТЕМАХ FE NB C, FE N B І FE NB C N
ФІЗИКА МЕТАЛІВ І МЕТАЛОВЕДЕННЯ, 2010, том 110, № 1, с. 55-64
СТРУКТУРА, ФАЗОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТА ДИФУЗІЯ
АНАЛІЗ РОЗТВОРНОСТІ КАРБІДІВ, НІТРИДІВ І КАРБОНІТРИДІВ У СТАЛЯХ МЕТОДАМИ КОМП'ЮТЕРНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ. IV. РОЗТВОРНІСТЬ КАРБІДІВ, НІТРИДІВ І КАРБОНІТРИДІВ У СИСТЕМАХ Ее-МЬ-С, Ее-МЬ-М і Ее-МЬ-С-М
Інститут фізики металів УРО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевської, 18
Проведено критичний аналіз наявних термодинамічних даних для систем Ре-№-С, N
і Ре-№-С-М на основі якого за допомогою САЬРНАО^метода обрані і уточнені взаємно узгоджені термодинамічні описи системи Ре-№-С-К і підсистем, що входять до неї. З використанням побудованих термодинамічних описів виконано розрахунки фазових рівноваг у цих системах. На основі проведених розрахунків проаналізовано розчинність карбідів, нітридів і карбонітридів у системах Ре-№-С, Ре-№-N і №-С-N і розглянуті деякі закономірності впливу складу та температури на фазовий склад сталей, легованих ніобієм.
Ключові слова: термодинаміка, фазові рівноваги, розчинність, карбонітриди ніобію.
Ніобій є легуючим елементом, здатним сильний позитивний вплив на властивості сталей навіть у разі дуже невеликих кількостей цього елемента. Особливо сприятливі результати дає легування ніобієм високоміцних сталей низьколегованих. Ефект від легування сталей ніобієм, як і ву разі інших карбонітридоутворюючих елементів, визначається, насамперед тим, знаходиться він у розчиненому стані або пов'язаний з карбонітридами. Залежно від морфології та температурних інтервалів виділення карбонітриди можуть різний вплив на структуру та властивості. Великі гострокутні карбонітриди призводять до крихкнення металу. Карбонітриди цього типу виділяються за дуже високих температур. Дисперсні карбонітриди, що утворюються в аустеніті при нагріванні під загартування або нормалізацію, стримують зростання зерна аустеніту, що сприяє формуванню дрібнодисперсної структури. Карбонітриди, що виділяються в процесі контрольованої прокатки, гальмують розвиток рекристалізації, що сприяє формуванню дрібнозернистої структури і як наслідок високої міцності, в'язкості та холодостійкості. Карбонітриди, що виділяються в процесі у - а-перетворення і в фер-
1 Зменш. від англ. Calculation of phase diagrams – розрахунок фазових діаграм.
риті дуже дисперсні і дають ефект дисперсійного зміцнення.
Температурні інтервали виділення карбоніт-рідів ніобію визначаються їх розчинністю. Тож науково обгрунтованого вибору режимів термічної обробки та складів сталей необхідна максимально точна інформація про фазовому рівновазі, тобто. про залежності концентрацій елементів у твердому розчині та кількостей надлишкових фаз від складу сталі та температури. Цю інформацію можна отримати в результаті експериментальних досліджень, але такі дослідження дуже трудомісткі та дорогі. Інший шлях – це проведення термодинамічних розрахунків.
Раніше у роботі [1] було розроблено алгоритм щодо таких розрахунків. У роботах [2, 3] були побудовані термодинамічні описи для систем Ре-У-С-М і Ре-І-С-Н і проведені термодинамічні розрахунки дляцих систем.
Метою цієї роботи є побудова взаємоузгодженого термодинамічного опису системи Ре-№-С-Н і підсистем на основі САЬРНАО-методу, що входять до неї, і проведення розрахунків фазових рівноваг для складів, що становлять практичний інтерес, а також аналіз результатів розрахунків.
1. ТЕРМОДИНАМІЧНІ МОДЕЛІ
У цій роботі при проведенні термодинамічних розрахунків у системах Ре-№-С, Ре-№-М і Ре-№-С-М враховувалася можливість утворення наступних фаз: тверді розчини на основі заліза та ніобію, цементит, кубічні та гексагональні карбіди, нітриди і карбонітриди, фаза Лаве-са Ре2№, а також рідка фаза та вільний азот.
Для опису молярної енергії Гіббса рідкої фази використовувалася модель регулярного розчину, яка для чотирикомпонентної системи Ре-№-С-М призводить до наступного виразу:
= ЛРе іРе + ^Ъ ^Ъ + ЛС ^С + ^ +
+ ЛГ(Л^е1іЛ^е + 4'1П 4Ъ + ЛС1П ЛС + л^1і 4) +
+ Л^еЛ>)Ъ^Ре, N + Л^еЛ^ЬРе, С + ^е^-^Ре, N + + ЛМ'ЛСьш, з + N + ЛСЛМ^С, N + (1)
. у ^ у ^ у ^ т ь. у ^ у ^ у ^ т ь.
+ ЛРеЛМЪЛСьРе, С + ЛРеЛМЪЛМьРе, N +
. у^ у^ у^ ть. у^ у^ у^ ть.
+ ЛРеЛСЛ^¿Ре, С, N + ^Ъ^^^Ъ, С, N +
_1_ У^ У^1 у^ у^ ть
де Л - мольна частка /-го компонента в рідкій
фазі; ° 6ь - молярна енергія Гіббса чистого ком-
понента I у рідкому стані; ь^ у-к - параметри розчину. Для систем з меншою кількістю компонентів доданки, пов'язані з відсутнім елементом, дорівнюють нулю.
Для інших фаз (крім газоподібного азоту) застосовувалася подрешіточна модель Хіллерта-Стаффонссона [4, 5].
Тверді розчини, кубічні та гексагональні карбіди, нітриди та карбонітриди розглядалися як сполуки з двома підгратами, перша з якихзаповнена металевими атомами, а друга - атомами впровадження та вакансіями. Для четверної системи Ре-№-С-М аналізовані фази описуються формулою (Ре, Nb) (\&, С, N) ,
і вираз для енергії Гіббса однієї формульної одиниці фази має вигляд:
= 7Ре7Уа "Ре:Уа + ^Ъ^Уа ^ЫУа + 7 Ре 7 С "ре:С +
+ ^Ъ:С + 7Ре ^ N "Ре^ + ^Ъ ^ ^Ъ: N +
+ ЯТ [а1 (7Ре1і 7Ре + 7^1п 7^) + + а2 (7уа1п 7уа + 7с 1п 7с + 7Nln 7N)] + ша# + V,
G - YFe YNb YVaLFe, Nb:Va + YFe YNb YCLFe, Nb:C
+ YFeYNbYNLFe, Nb:N + YFe YVa YCLFe:Va, C
+ YFe ^VaYNLFe:Va, N + YFe YC YNLFe:C, N
+ YNb YVa YCLNb:Va, C + YNb ^Va YNLNb:Va, N + + YNbYCYNLNb: C, N + YFe YNb ^Va YCLFe, Nb:Va, C'
+ YFe YNb YVa YNLFe, Nb:Va, N + YFe YNb YC YNLFe, Nb:C, N + + YFe ^Va YC YNLFe:Va, C, N + YNb YVa YC YNLNb:Va, C, N + + YFe YNb YVa YC YNLFe, Nb:Va, C, N.
Тут Va позначає вакансії, as — число молей місць у гратах s, що припадають на одну моль формульних одиниць фази, Y — мольна частка компонента i у відповідній граті фази f
°GfM:va - енергія Гіббса чистого елемента М, а
° gMx - енергія Гіббса з'єднання M X , що має ту ж структуру, що і фаза f в гіпотетичному немагнітному стані; magGf - внесок в енергію Гіббса, зумовлений магнітним упорядкуванням; EGf - надмірна енергія Гіббса фази f. Двокрапка в індексах при параметрах розчину поділяє компоненти, розташовані в різних гратках, кома - в одній гратці.
Вклад в енергію Гіббса фази, пов'язаний з магнітним упорядкуванням, magG залежить від величини середнього магнітного моменту, що припадає на атом р, і температури руйнування магнітного порядку Тс. Порядок розрахунку ma§Gf описаний у статті [1]. Для немагнітних фаз його величина дорівнює нулю.
Для системменшого порядку, наприклад Fe-Nb-C або Fe-Nb-N, доданки, пов'язані з відсутнім елементом у формулах (2), (3), опускаються.
ОЦК а-твердий розчин (ферит) має подрешеточную формулу (Fe, Nb)1(Va, C, N)3, тобто, a1 = 1, a2 = 3; для фаз з ГЦК-решіткою металевих атомів (аустеніту, кубічного карбіду, нітриду та карбонітриду) - a1 = 1, a2 = 1; для з'єднань з ГПУ-кристалічною решіткою металевих атомів (гексагонального твердого розчину, карбіду, нітриду та карбонітриду) - a1 = 1, a2 = 0.5.
Для інтерметалідної фази Лавеса була використана двопідрешіточна модель з формулою (Fe, Nb)2(Fe, Nb)1, відповідно до якої вираже-
ня для розрахунку однієї формульної одиниці енергії Гіббса фази виглядає наступним чином:
.^Laves _ тД O^Laves тД O^L.
G = iceJce „+ J Fe J Nh GTJ,
Fe-Te uFe: Fe T J Fe J Nh uFe: Nh '
тД y2 O^Laves -^2 O.-,Laves
+ JNhJFe GNh: Fe + JNb JNh GNh: Nh +
+ RT[ 2( íFeln íFe + On ^Nh) +
+ ( íFeln íFe + jNhln jNb)] + V™,
^rLave^ _ y1 y1 J
G = J Fe J Nh J FeLFe, Nh: Fe +
+ УГе ^Ъ ^Ъ^е, ЫЪ:№ + ^е ^е У14Ъ^е^е, ЫЪ + (5) + ^М'^е^ЫЪ^ЫЪ^е, ЫЪ'
Тут У - мольна частка /-го компонента в ж-й підрешітці.
Для опису енергії Гіббса фази Лавеса не використовувалися параметри взаємодії більш ніж третього порядку, тому вони не наведені в (5).
Цементит і нітрид заліза Ре4М описувалися як фази з двома гратами, у першій з яких розташовуються металеві атоми, а в другій - вуглець та/або азот. Для цементиту подрешіточна формула має вигляд (Бе)3(С, а для Бе4М -
(Ре)4(М)1. Для цих фаз використовувалися формули (2), (3) з відповідними коефіцієнтами а, при цьому члени, що не належать до жодного з компонентів,що входять у цю фазу, опускалися.
2. ВИБІР ТЕРМОДИНАМІЧНОГО ОПИСУ
Переважна кількість дослідників, що працюють в рамках CALPHAD-методу, при термодинамічному описі систем, що включають залізо, азот та вуглець, використовують набір параметрів для систем Fe-C, Fe-N та Fe-C-N, отриманий у роботах [6-8] . Таким чином, для забезпечення сумісності з іншими описами (у тому числі з набором параметрів, отриманим у наших попередніх роботах [2, 3]), а також тому, що даний набір термодинамічних параметрів встиг досить добре себе зарекомендувати, вкрай бажано будувати опис системи Fe-Nb-C-N на основі описів, отриманих в роботах [6-8]. Цій вимогі якраз задовольняє робота Лі [9]. Крім того, в ній був проведений досить повний аналіз існуючих термодинамічних даних по системі Fe-Nb-Ti-C-N і підсистем, що входять до неї, тому набір параметрів, представлений в даній роботі, був взятий за основу при виборі термодинамічного опису для системи Fe -Nb-C-N.
Описи потрійних систем у роботі Лі базувалися на наборах параметрів для бінарних систем Fe-С [6] і Fe-N [7], Fe-Nb [10], №-С [11] і №-N [12 ]. Для поліпшення згоди з експериментальними даними щодо розчинності №С і NЪN у роботі [9] були модифіковані параметри Ьк, № : уа,
: С, і Ь№, С: уа для ГЦК-фаз. У цьому потрійні параметри Ь^, №> : С і Ьре, № : взагалі не використовувалися внаслідок низької розчинності кубічного карбіду та нітриду ніобію.
Як і у випадку системи Fe-Ti-C-N, виникає труднощі при виборі параметра Ьт: С, N дл
Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин.Вартість однієї статті -150 рублів.
Подібні наукові роботи на тему «Фізика»
ГОРБАЧОВ І.І., Пасинков А.Ю., ПОПОВ В.В. - 2014 р.
ГОРБАЧОВ І.І., ПОПОВ В.В. - 2011 р.
ГОРБАЧОВ І.І., Пасинков А.Ю., ПОПОВ В.В. - 2012 р.