Ab initio моделирование влияния кремния на образование карбида Fe3C в ОЦК-железе

Автор: Верховых А.В., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А.

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика @vestnik-susu-mmph

Рубрика: Физика

Статья в выпуске: 4 т.10, 2018 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты первопринципного моделирования влияния кремния на энергию формирования цементита и парциальную энтальпию. Моделирование проводилось в рамках теории функционала плотности (DFT) полнопотенциальным методом линеаризованных присоединенных плоских волн (FP LAPW) с учетом обобщенного градиентного приближения (GGA’96) в программном пакете WIEN2k. Были изучены различные концентрации примеси кремния в цементите, а именно, 1,6, 3,2 и 6 ат. % как в позиции замещения атома железа (S и G-позиции), так и атома углерода (С-позиция). Была выполнена объемная оптимизация структур. Найдены равновесные параметры решетки как цементита без примеси, так и в присутствии кремния, которые отлично согласуются с экспериментальными и теоретическими данными. Энергия формирования для концентрации 3,2 ат. % в С-позиции оказалась -0,03 эВ, что может говорить о стабилизации цементита. Но при этом парциальная энтальпия для всех положений кремния положительна, и значит, кремний остается в твердом растворе ОЦК-Fe, что находится в хорошем согласии с результатами других теоретических и экспериментальных работ. Было получено, что чем больше концентрация кремния, тем ниже средний магнитный момент на атомах железа.

Еще

Первопринципное моделирование, цементит, кремний, энергия формирования, парциальная энтальпия

Короткий адрес: https://readera.org/147232798

IDR: 147232798   |   DOI: 10.14529/mmph180409

Список литературы Ab initio моделирование влияния кремния на образование карбида Fe3C в ОЦК-железе

  • Bain, E.C. Alloying elements in steel / E.C. Bain, H.W. Paxton. - Metals Park, Ohio: Amer. Soc. for Metals, 1966. - 254 p.
  • Deeley, P.D. Ferroalloys & alloying additives handbook / P.D. Deeley, K.J.A. Kundig, H.R. Spendelow. - Newfield, N.J.: Shieldalloy Corp., 1981. - 127 p.
  • Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986. - 541 с.
  • Гудремон, Э. Специальные стали / Э. Гудремон. - Москва: Металлургиздат, 1959. - Т. 1. - 1959. - 952 с.
  • Umemoto, M. Influence of alloy additions on production and properties of bulk cementite / M. Umemoto, Z.G. Liu, K. Masuyama, K. Tsuchiya // Scripta Materialia. - 2001. - Vol. 45, no. 4. - P. 391-397.
  • Influence of substitutional atoms on the solubility limit of carbon in BCC iron / H. Saitoh, K. Ushioda, N. Yoshinaga, W. Yamada // Scripta Materialia. - 2011. - Vol. 65, no. 10. - P. 887-890.
  • Imai, Y. Influence of alloying elements on solubility of carbon and nitrogen in ferrite iron / Y. Imai, K. Masumoto, M. Sakamoto // Bulletin of the Japan Institute of Metals. - 1968. - Vol. 7. - Issue 3. - P. 137-152.
  • Borchers, H. Zementitbildung in Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt / H. Borchers, W. König // Archiv für das Eisenhüttenwesen. - 1963. - Vol. 34, no. 6. - P. 453-463.
  • Leak, D.A. Solubility and Diffusion of Carbon in a Silicon-Iron Alloy / D.A. Leak, G.M. Leak // J. Iron Steel Inst. - 1958. - Vol. 189, № 3. - P. 256-262.
  • Лякишев, Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Н.П. Лякишев. - Т.1. - М.: Машиностроение, 1996. - 991 c.
  • Jang, J.H. Substitutional solution of silicon in cementite: A first-principles study / J.H. Jang, I.G. Kim, H.K.D.H. Bhadeshia // Computational Materials Science. - 2009. - Vol. 44, no. 4. - P. 1319-1326.
  • Electronic structure and magnetic properties of Fe3C with 2p and 3p impurities / O.Y. Gutina, N.I. Medvedeva, I.R. Shein et al. // Physica status solidi (b). - 2009. - Vol. 246, no. 9. - P. 2167-2171.
  • Ande, C.K. First-principles prediction of partitioning of alloying elements between cementite and ferrite / C.K. Ande, M.H.F. Sluiter // Acta Materialia. - 2010. - Vol. 58, no. 19. - P. 6276-6281.
  • Ande, C.K. First-principles calculations on stabilization of iron carbides (Fe3C, Fe5C2 and η-Fe2C) in steels by common alloying elements / C.K. Ande, M.H.F. Sluiter // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2012. - Vol. 43. - Issue 11. - P. 4436-4444.
  • Partitioning of Cr and Si between cementite and ferrite derived from first-principles thermodynamics / H. Sawada, K. Kawakami, F. Körmann et al. // Acta Materialia. - 2016. - Vol. 102. - P. 241-250.
  • Schwarz, K. Solid state calculations using WIEN2k / K. Schwarz, P. Blaha // Computational Materials Science. - 2003. - Vol. 28, no. 2. - P. 259-273.
  • Fasiska, E.J. On the cementite structure / E.J. Fasiska, G.A. Jeffrey // Acta Crystallographica. - 1965. - Vol. 19, no. 3. - P. 463-471.
  • Эмсли, Д. Элементы / Д. Эмсли. - М.: Мир, 1993. - 255 с.
  • Thermal expansion and crystal structure of cementite, Fe3C, between 4 and 600 K determined by time-of-flight neutron powder diffraction / I.G. Wood, L.Vočadlo, K.S. Knight, D.P. Dobson et al. // Journal of Applied Crystallography. - 2004. - Vol. 37, no. 1. - P. 82-90.
  • Meschel, S.V. Standard enthalpies of formation of some 3d transition metal carbides by high temperature reaction calorimetry / S.V. Meschel, O.J. Kleppa // Journal of alloys and compounds. - 1997. - Vol. 257, no. 1-2. - P. 227-233.
  • Guillermet, A.F. Cohesive properties and vibrational entropy of 3d-transition metal carbides / A.F. Guillermet, G. Grimvall // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1992. - Vol. 53, no. 1. - P. 105-125.
  • DOI: 10.1016/0022-3697(92)90019-A
  • Influence of alloying elements on the kinetics of strain-induced martensitic nucleation in low-alloy, multiphase high-strength steels / L. Samek, E. De Moor, J. Penning, B.C. De Cooman // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2006. - Vol. 37, no. 1. - P. 109-124.
  • Shull, C.G. Neutron diffraction studies of the magnetic structure of alloys of transition elements / C.G. Shull, M.K. Wilkinson // Physical Review. - 1955. - Vol. 97, no. 2. - P. 304-310.
  • DOI: 10.1103/PhysRev.97.304
Еще
Статья научная