Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На данном этапе Проекта проводились исследования, целью которых было развитие методов прогнозирования фазового состава и структуры сталей при нагреве и горячей деформации. Поставленные задачи решались на основе синтеза разработанной нами ранее модели для описания поведения карбонитридных выделений и идей, предложенных другими исследователями для моделирования характеристик зёренной структуры сплава при нагреве и деформации. В отчётном периоде Проекта были реализованы два подхода для прогнозирования фазового состава и структуры сталей при нагреве и деформации. Первый учитывает взаимовлияние изменения зёренной структуры аустенита в процессе и после горячей деформации и эволюции ансамбля карбонитридных выделений. Основные факторы, которые учитываются в данном подходе: • Многокомпонентность системы; • Структурные параметры: - средний размер зерна; - средний размер субзерна (или ячейки); - распределение плотностей дислокаций по объёму; - распределение по размерам карбонитридных частиц. • Поведение ансамбля карбонитридных выделений с учётом: - диффузионного взаимодействия элементов в твёрдом растворе; - конечной объёмной доли выделений (и, соответственно, перекрытия диффузионных полей); - возможности совместной эволюции выделений нескольких составов; - комплексного состава выделений (а не только бинарных); - возможности зарождения новых выделений. • Изменение плотности дислокаций при деформации с учётом процессов возврата. • Возможность протекания динамической и статической рекристаллизации. Краткое описание методов моделирования фазового состава и структуры сталей в данном методе приведено далее. • Распределение карбонитридных частиц по размерам задаётся с помощью гистограммы. • Основные модельные приближения для описания эволюции выделений: - частицы имеют сферическую форму; - состав выделений постоянен и диффузия в них отсутствует; - на межфазных границах выделение/матрица устанавливается локальное термодинамическое равновесие; - массоперенос контролируется объемной диффузией. • При моделировании поведения карбонитридных выделений происходит решение системы термодинамических, диффузионных уравнений и уравнений, соответствующих условиям баланса масс. В результате решения этих уравнений находятся скорости изменения размеров кардонитридных частиц для каждого размерного интервала. С учётом этого вычисляются объёмные доли и распределение по размерам для карбонитридных выделений всех составов. • Зарождение новых карбонитридных частиц описывается на основе классической теории зарождения, при этом скорость зарождения пропорциональна плотности дислокаций в сплаве. • Эволюция зёренной структуры описывается на основе поведения среднего размера зерна. При этом в качестве движущей силы роста выступает стремление системы понизить зернограничную энергию и энергию, накопленную в объёме в виде дислокаций. В качестве тормозящей силы для роста зерна выступает давление на движущиеся границы со стороны ансамбля карбонитридных выделений. Рекристаллизация выступает фактором уменьшения среднего размера зерна. • Распределение плотностей дислокаций в объёме материала описывается с помощью гистограммы. При этом на каждом временном шаге объёмные доли всех интервалов плотностей дислокаций пересчитываются с учётом увеличения плотности дислокаций при деформации, а также процессов возврата и рекристаллизации. Кроме того, на данном этапе проекта предложен подход для описания эволюции размеров зерен при нагреве с учётом распределения зёрен по размеру. В основе данного подхода лежит совместное описание эволюции ансамбля карбонитридных частиц и аустенитных зёрен. Для описания первых используется разработанный нами ранее алгоритм (тот же, что используется и в первом подходе), а описание эволюции зёренной структуры происходит на основе принципа термодинамического экстремума, согласно которому система эволюционирует путём максимального производства энтропии, что соответствует максимуму диссипативной функции. С помощью реализованных моделей были выполнены расчёты и проведено сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный этап Проекта был посвящён развитию методов моделирования фазового состава и структуры сталей на различных технологических этапах производства. Получены следующие результаты: ● Реализован алгоритм для моделирования эволюции фазового состава и структуры стали при однократной и многопроходной деформации. Ключевые особенности модели следующие: ♦ Учитывается многокомпонентность системы; ♦ Описание структуры моделируемого материала выполняется на основе: - среднего размера зерна; - среднего размера субзерен (или ячеек); - функции распределения плотностей дислокаций; - распределения по размерам и объёмной доля карбонитридных частиц. ♦ Поведение ансамбля карбонитридных выделений моделируется с учётом: - диффузионного взаимодействия элементов в твёрдом растворе; - конечной объёмной доли выделений (и, соответственно, перекрытия диффузионных полей); - возможности совместной эволюции выделений нескольких составов; - комплексного состава выделений (а не только бинарных); - возможности зарождения новых выделений (с учётом ускоренного зарождения на дислокациях в деформированном материале); - возможности появления выделений нового состава. ♦ Учитывается возможность протекания процессов возврата, динамической, первичной статической и собирательной рекристаллизации. ● На основе принципа термодинамического экстремума реализован алгоритм для моделирования роста аустенитных зёрен с учётом сдерживающего влияния со стороны частиц вторых фаз. Ключевые особенности модели: ♦ Зёренная структура задаётся гистограммой; ♦ Поведение выделений вторых фаз описывается на основе той же модели, что и в предыдущем алгоритме; ♦ Сдерживание роста зёрен учитывается для среднего размера зерна. При этом подвижность границ всех зерен задаётся в виде взвешенного значения между свободной и полностью заторможенной. ● Создан алгоритм для моделирования поведения ансамбля отдельных зёрен с учётом сдерживающего влияния со стороны частиц вторых фаз. Ключевые особенности модели: ♦ Зёренная структура учитывается в виде массива размера отдельных зёрен; ♦ Поведение выделений вторых фаз описывается на основе той же модели, что и в предыдущем алгоритме; ♦ Сдерживание роста зёрен учитывается для каждого зерна отдельно. Таким образом, модель позволяет естественным образом описать как собирательную, так и вторичную рекристаллизацию. ● Разработана модель для описания эволюции фазового состава и структуры при непрерывном охлаждении, сопровождающемся γ→α превращением. Модель учитывает: ♦ Образование зародышей феррита на гранях и рёбрах аустенитных зёрен на основе классической теории зарождения ♦ Движение границы ферритных зёрен с учётом сдерживающей силы со стороны карбонитридных выделений, которые были сформированы ранее, а также вновь образующихся выделений на самой межфазной границе. ♦ Изменение состава аустенитной фазы за счёт роста и коагуляции карбонитридных выделений.