Ab initio modelling of the interface energy α-Fe/Fe3c with the Bagaryatskii type orientation

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Perlite is one of the main structural constituents of carbon and low-alloy steels. In it, between the bcc ferritic and orthoboric cementite phases of Fe3C, the orientational relation (OR) of Bagaryatskii, Isaichev, and Pitch can be observed. The first two, which are close to each other and are not always, repeated in the experiment, predominate in low-temperature pearlite, which has the highest strength. In this study, the simulation "from first principles" by the DFT method in the WIEN2k software package of the structure and energy of coherent α-Fe/Fe3C interfaces was carried out. The supercells were subjected to structural and volume optimization. Calculations of the surface energy of the interphase boundaries gave the values of 0.383 J/m2 for the Bagaryatskii OR and 0.594 J/m2 for the Isaichev OR. This agrees well with the existing experimental values and the results of other molecular dynamics and first-principles calculations. The difference in surface energy can play a significant role for low-temperature pearlite with a small thickness of ferrite and cementite plates and a large area of interfacial boundaries per unit volume.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

A. Verkhovykh

Institute of Natural Sciences and Mathematics, South Ural State University (national research university)

Email: diuriaginans@susu.ru
Rússia, 454080, Chelyabinsk

A. Mirzoev

Institute of Natural Sciences and Mathematics, South Ural State University (national research university)

Email: diuriaginans@susu.ru
Rússia, 454080, Chelyabinsk

K. Okishev

Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Email: diuriaginans@susu.ru
Rússia, 620002, Ekaterinburg

N. Dyuryagina

Institute of Natural Sciences and Mathematics, South Ural State University (national research university)

Autor responsável pela correspondência
Email: diuriaginans@susu.ru
Rússia, 454080, Chelyabinsk

Bibliografia

  1. Счастливцева В.М. Цементит в углеродистых сталях: коллективная монография / Под ред. акад. Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2017. 380 с.
  2. Nagakura S., Hirotsu Y., Kusunoki M., Suzuki T., Nakamura Y. // Metall. Trans. A. 1983. V. 14. № 6. P. 1025. https://www.doi.org/10.1007/BF02670441
  3. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 240 с.
  4. Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: ВО "Наука", 1993. 280 с.
  5. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. М.: Металлургия, 1994. 288 с.
  6. Счастливцев В.М., Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л., Окишев К.Ю., Табатчикова Т.И., Хлебникова Ю.В. Перлит в углеродистых сталях. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 312 с.
  7. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. Киев: Наукова думка, 1974. 232 с.
  8. Li Y., Raabe D., Herbig M., Choi P.-P., Goto S., Kost-ka A., Yarita H., Borchers C., Kirchheim R. // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. № 10. P. 106104. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.106104
  9. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали. Киев: Наукова думка, 1987. 208 с.
  10. Ivanisenko Yu., Lojkowski W., Valiev R.Z., Fecht H.-J. // Acta Materialia. 2003. V. 51. № 18. P. 5555. https://www.doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00419-1
  11. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Хлебникова Ю.В., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И. // Физика металлов и металловедение. 2003. Т. 96. № 4. С. 44.
  12. Zhou Y.T., Shao X.H., Zheng S.J., Ma X.L. // J. Mater.Sci. Technol. 2022. V. 101. P. 28. https://www.doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.061
  13. Макаров А.В., Саврай Р.А., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И., Яковлева И.Л., Хлебникова Ю.В., Егорова Л.Ю. // Физика металлов и металловедение. 2004. Т. 97. № 5. С. 94.
  14. Макаров А.В., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И., Яковлева И.Л., Егорова Л.Ю. // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 111. № 1. С. 97.
  15. Багаряцкий Ю.А. // Доклады АН СССР. 1950. Т. 73. № 6. С. 1161.
  16. Pitsch W. // Acta Metallurgica. 1962. V. 10. № 9. P. 897. https://doi.org/10.1016/0001-6160(62)90108-6
  17. Petch N.J. // Acta Crystallographica. 1953. V. 6. P. 96. https://www.doi.org/10.1107/S0365110X53000260
  18. Сухомлин Г.Д. // Физика металлов и металловедение. 1974. Т. 38. № 4. С. 878.
  19. Ohmori Y., Davenport A.T., Honeycombe R.W.K // Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. 1972. V. 12. № 5. P. 128. https://www.doi.org/10.2355/isijinternational1966.12.128
  20. Исайчев И.В. // Журнал технической физики. 1947. Т. 17. № 7. С. 835.
  21. Zhou D.S., Shiflet G.J. // Metall. Trans. A. 1992. V. 23. № 4. P. 1259. https://www.doi.org/10.1007/BF02665057
  22. Zhang M.-X., Kelly P.M. // Scripta Materialia. 1997. V. 37. № 12. P. 2009.
  23. Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. // Физика металлов и металловедение. 1974. Т. 38. № 3. С. 571.
  24. Сухомлин Г.Д. // Физика металлов и металловедение. 1976. Т. 42. № 5. С. 965.
  25. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Хлебникова Ю.В., Счастливцев В.М., Табатчикова Т.И. // Физика металлов и металловедение. 2001. Т. 92. № 6. С. 81.
  26. Zhou Y.T., Zheng S.J., Jiang Y.X., Zhao T.Z., Wang Y.J., Ma X.L. // Philosophical Magazine. 2017. V. 97. № 27. P. 2375. https://www.doi.org/10.1080/14786435.2017.1332434
  27. Ohmori Y. // ISIJ Int. 2001. V. 41. № 6. P. 554. https://www.doi.org/10.2355/isijinternational.41.554
  28. Bhadeshia H.K.D.H. // J. Mater. Sci. Technol. 2018. V. 34. № 14. P. 1666. https://www.doi.org/10.1080/02670836.2018.1470746
  29. Kraposhin V., Jakovleva I., Karkina L., Nuzhny G., Zubkova T., Talis A. // J. Alloys Compd. 2013. V. 577. P. S30. https://www.doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.10.102
  30. Dippenaar R.J., Honeycombe R.W.K. // Proc. Royal Soc. A. 1973. V. 333. № 1595. P. 455. https://www.doi.org/10.1098/rspa.1973.0073
  31. Mangan M.A., Shiflet G.J. // Metallurgical Mater. Trans. A. 1999. V. 30. № 11. P. 2767. https://www.doi.org/10.1007/s11661-999-0114-9
  32. Lupton D.F., Warrington D.H. // Metallography. 1972. V. 5. № 4. P. 325.
  33. Shackleton D.N., Kelly P.M. // J. Iron and Steel Institute. 1969. V. 207. P. 1253.
  34. Morgan R., Ralph B. // J. Iron and Steel Institute. 1968. V. 206. P. 1138.
  35. Яковлева И.Л., Карькина Л.Е., Кабанова И.Г., Счастливцев В.М., Зубкова Т.А. // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 11. С. 1599.
  36. Thompson S.W., Howell P.R. The Habit Plane of Cementite Formed in Austenite with a Pitsch-like Orientation Relationship. // Proc. Int. Conf. Solid-to-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials PTM'94. USA: Nemacolin, PA. 1994. Р. 1127.
  37. Shackleton D.N., Kelly P.M. // Acta Metallurgica. 1967. V. 15. № 6. P. 979.
  38. Ohmori Y., Davenport A.T., Honeycombe R.W.K. // Transactions ISIJ. 1972. V. 12. № 5. P. 112.
  39. Kim J., Ghaffarian H., Ryu S., Kang K. // Computational Mater. Sci. 2020. V. 173. P 109375. https://www.doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.109375
  40. Guziewski M., Coleman S.P., Weinberger C.R. // Acta Materialia. 2016. V. 119. P. 184. https://www.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.017
  41. Guziewski M., Coleman S.P., Weinberger C.R. // Acta Materialia. 2018. V. 155. P. 1. https://www.doi.org/10.1016/j.actamat.2018.05.051
  42. Верховых А.В., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Математика, механика, физика". 2018. Т. 10. № 4. С. 78. https://www.doi.org/10.14529/mmph180409
  43. Andrews K.W. // Acta Metallurgica. 1963. V. 11. № 8. P. 939. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(63)90063-4
  44. Fasiska E.J., Jeffrey G.A. // Acta Cryst. 1965. V. 19. P. 463. https://www.doi.org/10.1107/S0365110X65003602
  45. Урсаева А.В., Рузанова Г.Е., Мирзоев А.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Математика, механика, физика". 2010. Т. 9. № 2. С. 97.
  46. Барабаш О.М., Коваль Ю.Н. Структура и свойства металлов и сплавов: Справочник. Кристаллическая структура металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1986. 600 с.
  47. Verkhovykh A.V., Okishev K.Yu., Mirzoev A.A., Mirzaev D.A. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Математика, механика, физика". 2014. Т. 6. № 2. С. 49–55.
  48. Schwarz K., Blaha P. // Comput. Mater. Sci. 2003. V. 28. № 2. P. 259e273.
  49. Верховых А.В., Окишев К.Ю., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Металлургия", 2017. Т. 17. № 1. С. 35. https://www.doi.org/10.14529/met170104
  50. Mirzoev A.A., Verkhovykh A.V., Okishev K.Yu., Mirza-ev D.A. // Molecular Physics. 2018. V. 116. № 4. P. 482. https://www.doi.org/10.1080/00268976.2017.1406161
  51. Finnis M.W. // J. Phys.: Condensed Matter. 1996. V. 8. № 32. P. 5811. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/8/32/003
  52. Kramer J.J., Pound G.M., Mehl R.F. // Acta Metallurgica. 1958. V. 6. № 12. P. 763. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(58)90051-8
  53. Martin J.W., Doherty R.D., Cantor B. Stability of microstructure in metallic systems. Cambridge University Press, 1997. 427 p.
  54. Kirchner H.O.K., Mellor B.G., Chadwick G.A. // Acta Metallurgica. 1978. V. 26. № 6. P. 1023. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(78)90052-4
  55. Li C.Y., Blakely J.M., Feingold A.H. // Acta Metallurgica. 1966. V. 14. № 11. P. 1397. https://www.doi.org/10.1016/0001-6160(66)90159-3
  56. Zhang X., Hickel T., Rogal J., Fähler S., Drautz R., Neugebauer J. // Acta Materialia. 2015. V. 99. P. 281. https://www.doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.075
  57. Ruda M., Farkas D., Garcia G. // Computational Mater. Sci. 2009. V. 45. № 2. 550. https://www.doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.11.020
  58. Kim J., Kang K., Ryu S. // Int. J. Plasticity. 2016. V. 83. P. 302. https://www.doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.04.016

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Mutual position of planes 1 and 6 of iron atoms in the structure of cementite (a) and planes 6 of cementite and 1 of ferrite at the interface

Baixar (283KB)
Metadados
3. Fig. 2. Supercells with ferrite/cementite interface before volumetric and structural optimization of Bagaryatsky OS (a) and Isaichev OS (b).

Baixar (591KB)
Metadados
4. Fig. 3. The dependence of the relative energy of the system on the total volume of the system.

Baixar (146KB)
Metadados
5. Fig. 4. Graphs of the dependence of the interplane distance near the interphase boundary for the initial structure and the structure after optimization of the OSB (a) and AXIS (b). Negative numbers correspond to the planes of ferrite, positive numbers correspond to cementite.

Baixar (299KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024