Аннотация
Постановка задачи: известно, что в сталях, легированных алюминием и кремнием, при распаде переохлаждённого аустенита возможно образование бескарбидного бейнита. В последние годы кремнистые стали с «бескарбидным бейнитом» начали использовать для производства труб после того, как Бхадешия в ряде работ обнаружил высокий потенциал увеличения их конструкционной прочности. Основной особенностью подобных сталей является превращение аустенита в феррит, который имеет не кубическую, а тетрагональную решетку. Используя методы первопринципного моделирования, Бхадешия рассчитал диаграмму равновесия тетрагонального феррита (α’) и аустенита (γ), причем оказалось, что равновесная концентрация углерода в феррите многократно превосходит таковую в кубическом феррите, чем и объяснялась причина роста прочности. Однако указанный расчет имеет ряд серьезных недостатков и скорее является качественным. Цель работы, новизна: в настоящей работе впервые проведен термодинамический анализ равновесия тетрагонального феррита и аустенита на примере сплавов Fe-C, но при запрете на выделение карбида в ходе бейнитного превращения. Используемые методы: Анализ основан на модели регулярного твердого раствора внедрения Чипмана. Химические потенциалы вычислялись суммированием соответствующих выражений для α-фазы с кубической решеткой и «тетрагональных» добавок по теории Зинера-Хачатуряна. Условие равенства химических потенциалов компонентов для двух фаз позволило рассчитать граничные концентрации углерода в α- и γ-фазах. Результаты: установлено, что в тетрагональной α-фазе рассчитанная концентрация углерода в 40-60 раз выше, чем для обычного кубического феррита, находящегося в равновесии с γ-фазой. Практическая значимость: это подтверждает качественные выводы Бхадешиа и открывает новые возможности конструирования высокопрочных сталей со структурой бескарбидного бейнита.
Ключевые слова
Тетрагональность, бейнитный феррит, химическое равновесие, теория Зинера-Хачатуряна.
1. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. М.: Металлургия, 1994. 228 с.
2. Влияние скорости охлаждения на количество остаточного аустенита при бейнитном превращении / В.М. Счастливцев, Ю.В. Калетина, Е.А. Фокина и др. // ФММ. 2014. Т. 18. № 10. С. 1052–1063.
3. Получение структуры нижнего бескарбидного бейнита в результате изотермической обработки сталей типа Х3Г3МФС и ХН3МФС / Ю.Н. Симонов, М.Ю. Симонов, Д.О. Панов и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. № 2. С. 4–12.
4. Bhadeshia H.K.D.H., 2015, Bainite in steels:theory and practice. Maney Publishing, Leeds, UK. 2015. 616.
5. Bhadeshia H.K.D.H., 2013, Carbon in cubic and tetragonal ferrite, Philosophical Magazine, 93, (28–30), 2013, 3714–3725.
6. Caballero F.G., Miller M.K., Garcia-Mateo C., 2010, Carbon supersaturation of ferrite in a nanocrystalline bainitic steel, Acta Materialia, 58, (7), 2010, 2338–2343.
7. Jang J.H., Bhadeshia H.K.D.H., Suh D.W., 2013, Solubility of carbon in tetragonal ferrite in equilibrium with austenite, Scripta Materialia, 68, (3–4), 2013, 195–198.
8. Курдюмов Г.В. Явления закалки и отпуска стали. М.: Металлургия, 1960, 65 с.
9. Kaufman L., Radcliffe S.V., Cohen M., 1967, Thermodynamics of the Bainite Reaction, Trans TMS-AIME, 239, 1967, 313–352.
10. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика железоуглеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1972. 328 с.
11. Чирков П.В., Мирзоев А.А. Межчастичный потенциал в системе железо-углерод и проблема мартенситного перехода // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. 2013. Т. 5. № 5. С. 114–118.
12. Zener C., 1946, Kinetics of the decomposition of austenite, Trans. AIME, 167, 1946, 550–595.
13. Khachaturyan A.G., 1983, Theory of structural phase transformations in solids. John Willey, New York, NY, 17, 1983, 1733–1743.
14. Mirzayev D.A.., Mirzoev A.A., Chirkov P.V., 2016, Ordering of Carbon Atoms in Free Martensite Crystals and When Enclosed in Elastic Matrix, Metallurgical and Material Transactions A, 47, (2), 2016, 637–640.
15. Ruban A.V., 2014, Self-trapping of carbon atoms in α-Fe during the martensitic transformation. A qualitative picture from ab initio calculations, Physical Review B, 90, (14), 2014, 144106.
16. Chirkov P.V., Mirzoev A.A., Mirzaev D.A. Investigation of the process of martensite tetrahedral distortion formation by molecular dynamics // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2014. Т. 14. № 2. С. 54–58.
17. Udyansky A., Pezold J., Bugaev V.N., et al., 2009, Interplay between long-range elastic and short-range chemical interactions in Fe-C martensite formation, Physical Review B, 79, 2009, 224112.
18. Udyansky A., Pezold J., Dick A., et. al., 2011, Orientational ordering of interstitial atoms and martensite formation in dilute Fe-based solid solutions, Physical Review B, 83, (18), 2009, 184112.
19. Fan Zh., Xiao L., Jinxiu Zh., et. al., Lattice-parameter variation with carbon content of martensite. II. Long-wavelength theory of the cubic-to-tetragonal transition, Physical Review B, 52, (14), 2011, 9979–9987.
20. Ponomareva A.V., Gornostyrev Y.N., Abrikosov I.A., 2014, Ab initio calculation of the solution enthalpies of substitutional and interstitial impurities in paramagnetic fcc Fe, Physical Review B, 90, (1), 2014, 014439.
21. Ридный Я.М., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А. Примеси углерода в парамагнитном ГЦК-железе: ab initio моделирование энергетических параметров // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. 2015. Т. 7. № 2. С. 56–63.
22. Chipman J., 1972, Thermodynamics and phase diagram of the Fe-C system, Metallurgical Transactions, 3, (1), 1972, 55–64.