Тема: Термодинамика мартенситного превращения в сплавах Fe-C

Мартенситные превращения (МП) - одно из наиболее широко изучаемых явлений физики металлов. Исторически понятие «мартенситные превращения» возникло при изучении процессов, которые происходят при быстром охлаждении (закалке) сталей, предварительно нагретых выше определенной температуры, и приводят к получению высоких прочностных свойств и определенной структуры [1]. Этой структуре было присвоено название мартенсита (в честь немецкого металлурга Мартенса), а превращению, происходящему при закалке и приводящему к получению мартенсита, — название мартенситного [1,2]. Были сформулированы основные особенности мартенситного превращения, отличающие его от других фазовых превращений.
Именно МП обусловливает упрочнение сталей при закалке и необычные механические свойства сплавов, нашедшие широкое применение в различных областях техники и медицины [3]. Широкая распространенность МП, своеобразный характер этого превращения, сближающий его с другими кооперативными процессами в твердых телах (двойникованием, образованием сбросов и пр.), огромное практическое значение МП [4] обусловили значительный интерес к этому явлению.
При работе с железоуглеродистыми сплавами очень важным является вопрос о реальной температуре начала мартенситного перехода, так как без определенной степени переохлаждения процесс невозможен [5].Для образования мартенситных кристаллов необходимо расходование энергии на упругую и пластическую деформации, образование поверхности частицы и отрыв решеток мартенсита и аустенита. Единственный источник этой работы — определенная величина разности свободных энергий исходной и конечной фазы. В физике металлов ее называют движущей силой мартенситного превращения или термодинамическим стимулом [6] и она является мерой энергетических затрат. Концентрационная зависимость стимула показывает влияние углерода на меру упругой и поверхностной энергии. Проблема заключается в том, что его невозможно определить экспериментальным путем. Для решения этого вопроса был разработан ряд теорий [7-9], наиболее точной из которых является предложенная А.Г. Хачатуряном [7].
А. Г. Хачатурян рассматривает трансформацию кристаллической решетки железа. Атомы углерода в ходе перестройки структур при мартенситном превращении преимущественно попадают в поры одного типа [8], что приводит к тетрагональной деформации ячейки. Степень тетрагональности мартенсита связана с параметром дальнего порядка, который характеризует степень преимущественного заполнения одной из подрешеток [9].Его, в свою очередь, можно связать, с температурой и концентрацией углерода с помощью параметра деформационного взаимодействия атомов углерода Л [7].Однако, предложенные автором значения Л (6,37 эВ и 2,73 эВ) были недостаточно точными и велик искажению реальной температуры начала мартенситного превращения.
С ростом мощности вычислительных технологий стало возможным более точное определение параметра Л. В работе [10] учет деформационного взаимодействия был дополнен расчетом химического взаимодействия с использованием межатомных потенциалов погруженного атома. Затем, эта же группа ученых использовала расчеты, основанные на первых принципах [11]. Однако было показано [12], что метод молекулярной динамики позволяет получить наиболее точные на данный момент результаты.
Таким образом, целью данной работы является исследование зависимости величины термодинамического стимула мартенситного превращения от содержания углерода в стали. 

Купить

На сегодняшний день существует несколько работ, посвященных изучению концентрационной зависимости стимула мартенситного превращения[19,21].Однако, за последние годы, прошедшие со времени их публикаций, получены новые экспериментальные данные, а компьютерное моделирование стало альтернативой эксперименту и позволяет рассчитать ряд свойств, которые ранее считались [10-11] дискуссионными. Отличие наших от указанных работ объясняется использованием теории Хачатуряна и уточненным значением параметра деформационного взаимодействия.
Таким образом, проведено изучение зависимости стимула образования мартенсита от концентрации углерода в стали с использованием новых данных [12] для энергии деформационного взаимодействия и термодинамических характеристик ОЦК и ГЦК-железа. Обнаружилось, что в области содержания углерода выще 2 ат.% стимул образования начинает заметно уменьшаться. Предположительно это связано с релаксацией упругой энергии при образовании тетрагональной решетки.

Купить