14 587 21 0023 Федеральная целевая

< 14. 587. 21. 0023 > Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014— 2020 годы» Приоритетное направление: Транспортные и космические системы Программное мероприятие: <Номер и название программного мероприятия> Соглашение № 14. 587. 21. 0023 от <11. 2015 > на период 2015 - 2016 гг. Тема: Моделирование из первых принципов и термодинамическое моделирование в приложении к разработке новых сталей Руководитель проекта: Директор НИЦ «Термохимия материалов» НИТУ «МИСи. С» , к. т. н. Хван Александра Вячеславовна Получатель субсидии Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСи. С" Иностранные партнеры 1. Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена, Германия www. rwth-aachen. de. Основным видом деятельности является образование и научные исследования. Основная роль в проекте: Термодинамические описания систем Fe-Al-C, Mn-Al-C. Модели: ГП -фазы и мартенситного превращения; упорядочения-разупорядочения в ккарбид/ГЦК. 2. Университет Линчёпинг, Швеция. http: //liu. se. Основным видом деятельности является образование и научные исследования. Основная роль в проекте : Разработка новых теоретических методов моделирования материалов в реальных условиях, максимально приближенным к условиям их эксплуатации на основе расчетов из первых принципов (ab-initio). Ожидаемые результаты проекта 1. Впервые получены новые детальные экспериментальные данные по фазовым равновесиям и термодинамическим свойствам в системах Fe-Al. C, Mn-Al-C и Fe-Mn-Al-C; 2. Определено влияния Al и Mn на растворимость углерода в ОЦК фазе; Определены энергии растворения углерода в неупорядоченных ГЦК фазе в системе Fe-Mn-C, ОЦК фазе в системе Fe-Al-С в ферромагнитном и/или парамагнитном состоянии с использованием разработанных в работе моделей и алгоритмов; 3. Разработана модель описания к-карбида; проведено новое термодинамическое моделирование тройных систем Fe-Al-C и Mn-Al-C, а также четырехкомпонентной системы Fe-Al-Mn-C с использованием методов Calphad; обновлена термодинамическая база данных для разработки сталей. Текущие результаты проекта Цели и задачи проекта 1. Предоставление обновленной термодинамической базы данных и термодинамических моделей для проведения исследований в области разработки новых сталей; 2. Получение моделей для моделирования κ-карбида, метастабильной ГП фазы, расчета мартенситного превращения и ЭДУ, которые позволят объяснить процессы, являющиеся критическими при создании новых видов высокомарганцовистых сталей; - Освоение новых моделей позволит ускорить и оптимизировать процессы внедрения новых видов сталей в отечественное производство; 3. Разработка высокомарганцовистых сталей нового поколения является одним из актуальных направлений в современном материаловедении, что подтверждается нарастающим количеством публикаций в данном направлении, а также финансированием различными фондами по всему миру программ по исследованию данных материалов. Перспективы практического использования Полученные данные о строении диаграмм состояния систем Fe-Al-C, Mn-Al. C и Fe-Mn-Al-C, структуры и свойств сплавов сформировали фундамент, необходимый для разработки конструкционных и функциональных материалов с заданным комплексом свойств. Разработанное новое термодинамическое описание системы Fe-Al-Mn-С, которое было достигнуто путем совместного использования экспериментальных данных и расчетов из первых принципов, может быть использовано для оптимизации составов и режимов обработки при разработке высокомарганцовистых сталей (ТВИП и ТРИП сталей), а также для проведения расчетов с целью определения фазовых превращений непосредственно на промышленных предприятиях. Уточнение баз данных и моделей, используемых в расчетах, разработка алгоритмов проведения расчетов способствует улучшению данных расчетов, использование которых значительно сокращает временные и финансовые затраты при оптимизации процессов и должно повысить конкурентно способность отечественных предприятий. Новые методы теоретического моделирования и полученные фундаментальные данные, могут быть использованы в различных областях науки. 1. Изучены фазовые равновесия в системе Fe-Al-C в богатой Fe области. Показано, что растворимость С в ОЦК (феррите) не превышает 0. 1 ат. %. Впервые изучены фазовые равновесия в системе Mn-Al-C при кристаллизации и при температурах 1200 и 1100°С. Построены проекции поверхностей ликвидус, солидус , диаграмма плавкости (рис. 1) и изотермические сечения. Показано, что Mn 5 C 2, который в системе Mn-C образуется в твердом состоянии, в тройной системе принимает участие в равновесии с жидкой фазой. Установлено, что Mn 3 Al. C (κ-карбид) плавится конгруэнтно при температуре 1320°С и имеет широкую область гомогенности. 2. Изучены фазовые равновесия в системе Fe-Mn-Al-C при температурах 1100 и 1000°С. Построены изотермические сечения Fe-10 Mn-Al-C и Fe-20 Mn. Al-C (рис. 2) при этих температурах. Для качественного термодинамического описания системы нами изучены термодинамические свойства к разного состава (рис. 3). Используя полученные данные и расчеты из первых принципов, проведено новое термодинамическое описание системы Fe-Mn-Al-C. 3. В рамках теории функционала электронной плотности (PAW-VASP) Рис. 1 – Диаграмма плавкости системы Mn-Al-C. выполнен расчет энтальпий растворения примеси углерода (Hsol) ГЦК Рис. 3 – Теплоемкость к-фазы. парамагнитных сплавах на основе Fe. Для расчета использована предложенная нами ранее схема, которая позволяет учитывать тепловые магнитные флуктуации в парамагнитной матрице с точечными дефектами, адаптированная для материалов не только с магнитным, но и атомным беспорядком. Показано, что в сплаве, содержащем марганец, энергия растворения углерода становится ниже относительно растворения в чистом парамагнитном γFe. Добавление Al в сплав Fe-Mn увеличивает (Hsol), но при этом значение ниже, чем при растворении в γFe. Легирование Cr и Nb способствует стабилизации а б фазыγFe Fe-Mn в фазовом переходе ГЦК →ГПУ (рис. 4). В системе Fe-Mn-Cr в Рис. 2 – Изотермическое Рис. 4 – Влияние магнитного состояния аустенита и сечение Fe-20 Mn-Al-C при 1100°С. случае с антиферромагнитного состояния аустенита с увеличением концентрации Cr (а) и Nb (б) на разницу энергий между содержания Cr точка пересечения ΔEhcp-fcc =0 смещается к меньшим фазами ГПУ и ГЦК. <14. 587. 21. 0023>