Молекулярно-динамическое исследование влияния примеси углерода на процесс кристаллизации наночастиц аустенита при быстром охлаждении = Molecular dynamics study of the influence of carbon impurity on austenite nanoparticles crystallization during rapid cooling / И. В. Зоря, Г. М. Полетаев, Ю. В. Бебихов, А. С. Семенов. – DOI 10.17073/0368-0797-2024-4-440-448. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2024. – Т. 67, № 4. – С. 440–448. – ISSN 0368-0797. – Библиогр.: с. 446–448 (37 назв.). – 5 рис.
Авторы:
Зоря, Ирина Васильевна, Полетаев, Геннадий Михайлович, Бебихов, Юрий Владимирович, Семенов, Алексей Сергеевич
Методом молекулярной динамики проведено исследование формирования структуры при кристаллизации наночастиц аустенита в условиях наличия примеси углерода. Рассматривалось влияние скорости охлаждения расплава, размера частиц, концентрации атомов углерода в частице на особенности образующейся структуры при кристаллизации и температуру начала кристаллизации. Показано, что формированием нанокристаллической структуры наночастиц можно управлять путем варьирования скорости охлаждения и введения примеси углерода: при скорости охлаждения выше 1013 К/с в используемой модели кристаллизация не успевала произойти, при скорости ниже 5·1012 К/с частица аустенита кристаллизовалась с образованием нанокристаллической структуры. При этом при снижении скорости охлаждения наблюдалось уменьшение плотности дефектов в конечной структуре. При скорости 5·1011 К/с и менее кристаллизация частиц без углерода проходила с образованием низкоэнергетических границ зерен (с высокой плотностью сопряженных узлов: специальных границ, двойников). Температура кристаллизации при охлаждении со скоростью ниже 1012 К/с обратно пропорциональна диаметру частицы: по мере уменьшения размера частицы увеличивается доля свободной поверхности, что приводит к уменьшению вероятности образования кристаллических зародышей. Кроме того, температура кристаллизации увеличивается при уменьшении скорости охлаждения. Введение примеси углерода приводило к снижению температуры кристаллизации наночастиц: при наличии 10 ат. % углерода она уменьшалась примерно на 200 К для частиц разного размера. Атомы углерода часто образовывали скопления, состоящие из нескольких атомов углерода. Такие скопления искажали образующуюся кристаллическую решетку металла вокруг себя, препятствуя кристаллизации. В условиях наличия примеси углерода конечная структура кристаллизовавшихся частиц имела более высокую плотность границ зерен и других дефектов. Атомы углерода, особенно скопления из них, закреплялись преимущественно на границах зерен и тройных стыках.
Molecular dynamics study of the influence of carbon impurity on austenite nanoparticles crystallization during rapid cooling / I. V. Zorya, G. M. Poletaev, Yu. V. Bebikhov, A. S. Semenov. – DOI 10.17073/0368-0797-2024-4-440-448. – Текст : непосредственный // Izvestiya. Ferrous Metallurgy. – 2024. – Vol. 67, № 4. – P. 440–448. – ISSN 0368-0797. – Bibliography: p. 446–448 (37 titles). – 5 fig.
Авторы:
Zorya, I. V., Poletaev, G. M., Bebikhov, Yu. V., Semenov, A. S.
Тематические рубрики:
The works of SibSIU scientists—Articles; Труды ученых СибГИУ—Статьи
The molecular dynamics method was used to study the structure formation during austenite nanoparticles crystallization in the presence of carbon impurities. The paper describes the dependence of the melt cooling rate, particle size, concentration of carbon atoms in the particle on the resulting structure features during crystallization and temperature of the crystallization onset. Formation of the nanocrystalline structure of nanoparticles can be controlled by varying the cooling rate and introducing a carbon impurity: at a cooling rate above 1013 K/s in the model used, crystallization did not have time to occur; at a rate below 5·1012 K/s, the austenite particle crystallized to form a nanocrystalline structure. At the same time, with a decrease in the cooling rate, a decrease in the density of defects in the final structure was observed. At a rate of 5·1011 K/s or less, crystallization of carbon-free particles took place with the formation of low-energy grain boundaries (with a high density of conjugate nodes: special boundaries, twins). The crystallization temperature during cooling at a rate below 1012 K/s is inversely proportional to the particle diameter: as the particle size decreases, the proportion of free surface increases, which leads to a decrease in the probability of crystalline nuclei formation. In addition, the crystallization temperature increases with a decrease in the cooling rate. The introduction of a carbon impurity led to a decrease in the crystallization temperature of nanoparticles: in the presence of 10 at. %. As a percentage of carbon, it decreased by about 200 K for particles of different sizes. Carbon atoms often formed clusters consisting of several carbon atoms. Such clusters distorted the resulting crystal lattice of metal around them, preventing crystallization. In the presence of a carbon impurity, the final structure of the crystallized particles contained a higher density of grain boundaries and other defects. Carbon atoms, especially clusters of them, were fixed mainly at grain boundaries and triple joints.