Образование карбонитридов и выделений легирующих элементов при ТМО высокопрочных низколегированных сталей. Атомистическое моделирование

Понимание процессов, определяющих формирование выделений легирующих элементов, их состав и морфологию, является важным для выбора оптимального состава и режимов термомеханической обработки, обеспечивающих требуемое структурное состояние и свойства низколегированных сталей. Рассмотрено использование современных методов атомистического моделирования и первопринципных расчетов для исследования механизмов и условий образования выделений в зависимости от состава стали и температуры. Методами теории функционала электронной плотности рассчитана энтальпия образования карбидов и нитридов титана, ванадия и ниобия в γ-Fe и определены температуры их растворения в зависимости от состава стали. Показано, что полученные результаты согласуются с экспериментальными данными и расчетами методом CALPHAD. Выполнены расчеты электронной структуры, энтальпии смешения, энергии эффективных взаимодействий между атомами легирующих и примесных элементов. Показано, что существенным фактором, определяющим характер взаимодействия между легирующими элементами, является магнитное состояние железа. Установлено, что энтальпия смешения, выражающая склонность системы к распаду, увеличивается при переходе α-Fe из ферромагнитного в парамагнитное состояние. В ферромагнитном α-Fe энергетически наиболее предпочтительным является образование выделений меди, а также частиц смешанного состава Cu‒Al, Cu‒Ni и упорядоченной фазы NiAl. Показано, что выделения на основе меди могут формироваться за характерные технологические времена. Переход α-Fe в парамагнитное состояние приводит к усилению взаимодействий между легирующими элементами (исключение составляет взаимодействие Cu‒Cu и Cu‒Ni). В результате появляются дополнительные комбинации легирующих элементов, взаимодействие между которыми будет приводить к образованию выделений. В то же время в γ-Fe выделения могут формироваться только на основе молибдена и ниобия. Рассмотрена роль магнетизма в образовании выделений и их влияние на γ→α-превращение. Показано, что полученные результаты создают основу для совершенствования технологий производства высокопрочных низколегированных сталей.