Аналіз впливу легування Si та Cr на властивості марганцевого аустеніту на основі AB INITIO моделювання

Автор(и)

  • Pavlo Prysyazhnyuk Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська,15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019, Україна https://orcid.org/0000-0002-8325-3745
  • Liubomyr Shlapak Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019, Україна https://orcid.org/0000-0003-3640-7702
  • Iryna Semyanyk Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019, Україна https://orcid.org/0000-0002-2378-267X
  • Volodymyr Kotsyubynsky Доктор фізико-математичних наук, професор Кафедра матеріалознавства і новітніх технологій, Україна https://orcid.org/0000-0001-6461-937X
  • Liubomyr Troshchuk Комунальне підприємство «Муніципальна дорожня компанія» вул. Максимовича, 13, м. Івано-Франківськ, Україна, 76006, Україна https://orcid.org/0000-0001-8594-7946
  • Sergiy Korniy Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка Національної академії наук України вул. Наукова, 5, м. Львів, Україна, 79060, Україна https://orcid.org/0000-0003-3998-2972
  • Volodymyr Artym Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019, Україна https://orcid.org/0000-0002-8938-552X

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217281

Ключові слова:

високомарганцева сталь, першопринципні розрахунки, месбауерівська спектроскопія, легуючі елементи, зносостійкі покриття

Анотація

Проведено оцінку впливу розчинених Si та Cr на кристалічну структуру, деякі механічні характеристики та стабільність марганцевого аустеніту. Теоретичні дослідження проводили шляхом першопринципних розрахунків у рамках теорії густини функціоналу (DFT) для аустенітних структур, які було змодельовано у вигляді надграток 2×2×2 на основі гранецентрованої кубічної гратки.

Розміщення атомів у модельних надгратках проводили із урахуванням експериментальних результатів аналізу месбауерівського спектру та рентгенівського фазового аналізу дослідних сплавів, що відповідають високомарганцевим сталям. Надгратки, які відображали структуру легованого аустеніту містили атом С у центральній октаедричній порі, який по відношенню до атомів Si(Cr) та Mn був розташований у першій та другій координаційних сферах, відповідно.

Аналіз результатів розрахунків показує, що розчинення Si та Cr у марганцевому аустеніті до збільшення стабільності аустенітної фази, як за результатами моделювання в рамках DFT так і за результатами термодинамічного аналізу. При цьому аустенітна фаза переходить в область пластичних матеріалів відповідно до співвідношення між модулями об’ємної пружності та зсуву ≥1,75 (критерій B/G). Визначення густини електронних станів показує, що серед досліджених структур найнижчою кількістю електронів на рівні Фермі, яка свідчить про найвищу електрохімічну стабільність, характеризується марганцевий аустеніт легований Cr.

Результати проведених досліджень дають підстави для розширення систем легування високомарганцевих сталей шляхом введення значної кількості (до 10 ат. %) Si та Cr, зокрема для нанесення зносо-, ударо-, та корозійностійких покриттів методом електродугового наплавлення.

Біографії авторів

Pavlo Prysyazhnyuk, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська,15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра зварювання

Liubomyr Shlapak, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019

Доктор технічних наук, професор

Кафедра зварювання

Iryna Semyanyk, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019

Аспірант

Кафедра зварювання

Volodymyr Kotsyubynsky, Доктор фізико-математичних наук, професор Кафедра матеріалознавства і новітніх технологій

Державний вищий навчальний заклад «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника»

вул. Шевченка, 57, м. Івано-Франківськ, Україна, 76018

Liubomyr Troshchuk, Комунальне підприємство «Муніципальна дорожня компанія» вул. Максимовича, 13, м. Івано-Франківськ, Україна, 76006

Інженер-механік

Sergiy Korniy, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка Національної академії наук України вул. Наукова, 5, м. Львів, Україна, 79060

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу

Відділ корозії та протикорозійного захисту

Volodymyr Artym, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна, 76019

Доктор технічних наук, професор

Кафедра будівництва та енергоефективних споруд

Посилання

  1. Vitos, L., Nilsson, J.-O., Johansson, B. (2006). Alloying effects on the stacking fault energy in austenitic stainless steels from first-principles theory. Acta Materialia, 54 (14), 3821–3826. doi: http://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.04.013
  2. Ostapovets, A. (2010). Atomistic model of type-II twin boundary. Computational Materials Science, 49 (4), 882–887. doi: http://doi.org/10.1016/j.commatsci.2010.06.041
  3. Mosecker, L., Saeed-Akbari, A. (2013). Nitrogen in chromium–manganese stainless steels: a review on the evaluation of stacking fault energy by computational thermodynamics. Science and Technology of Advanced Materials, 14 (3), 033001. doi: http://doi.org/10.1088/1468-6996/14/3/033001
  4. Tatsiy, R. M., Pazen, O. Y., Vovk, S. Y., Ropyak, L. Y., Pryhorovska, T. O. (2019). Numerical study on heat transfer in multilayered structures of main geometric forms made of different materials. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics, 13 (2), 36–55. doi: http://doi.org/10.24874/jsscm.2019.13.02.04
  5. Volchenko, N., Volchenko, A., Volchenko, D., Poliakov, P., Malyk, V., Zhuravliov, D. et. al. (2019). Features of the estimation of the intensity of heat exchange in self-ventilated disk-shoe brakes of vehicles. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (97)), 47–53. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154712
  6. Ropyak, L., Ostapovych, V. (2016). Optimization of process parameters of chrome plating for providing quality indicators of reciprocating pumps parts. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (80)), 50–62. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65719
  7. Drábiková, J., Pastorek, F., Fintová, S., Doležal, P., Wasserbauer, J. (2016). Improvement of bio-compatible AZ61 magnesium alloy corrosion resistance by fluoride conversion coating. Koroze a Ochrana Materialu, 60 (5), 132–138. doi: http://doi.org/10.1515/kom-2016-0021
  8. Saakiyan, L. S., Efremov, A. P., Ropyak, L. Ya. (1989). Effect of stress on the microelectrochemical heterogeneity of steel. Protection of Metals, 25 (2), 185–189.
  9. Kresse, G., Furthmüller, J. (1996). Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Computational Materials Science, 6 (1), 15–50. doi: http://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0
  10. Hafner, J., Kresse, G. (1997). The Vienna AB-Initio Simulation Program VASP: An Efficient and Versatile Tool for Studying the Structural, Dynamic, and Electronic Properties of Materials. Properties of Complex Inorganic Solids, 69–82. doi: http://doi.org/10.1007/978-1-4615-5943-6_10
  11. Clark, S. J., Segall, M. D., Pickard, C. J., Hasnip, P. J., Probert, M. I. J., Refson, K., Payne, M. C. (2005). First principles methods using CASTEP. Zeitschrift Für Kristallographie – Crystalline Materials, 220 (5/6). 567–570. doi: http://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075
  12. Duryagina, Z. A., Bespalov, S. A., Borysyuk, A. K., Pidkova, V. Ya. (2011). Magnetometric analysis of surface layers of 12X18H10T steel after ion-beam nitriding. Metallofizika i noveishie tekhnologii, 33 (5), 615–622.
  13. Tatarenko, V. A., Radchenko, T. M., Nadutov, V. M. (2003). Parameters of interatomic interaction in a substitutional alloy F.C.C. Ni-Fe according to experimental data about the magnetic characteristics and equilibrium values of intensity of a diffuse scattering of radiations. Metallofizika i noveishie tekhnologii, 25 (10), 1303–1319.
  14. Dong, N., Jia, R., Wang, J., Fan, G., Fang, X., Han, P. (2019). Composition Optimum Design and Strengthening and Toughening Mechanisms of New Alumina-Forming Austenitic Heat-Resistant Steels. Metals, 9 (9), 921. doi: http://doi.org/10.3390/met9090921
  15. Zhou, Y., Li, Y., Wang, W., Qian, L., Xiao, S., Lv, Z. (2018). Effect of interstitial nitrogen in Fe18Cr6Mn8 austenitic alloys from density functional theory. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 463, 57–63. doi: http://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.05.034
  16. Oila, A., Bull, S. J. (2009). Atomistic simulation of Fe–C austenite. Computational Materials Science, 45 (2), 235–239. doi: http://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.09.013
  17. Lv, Z. Q., Wang, B., Sun, S. H., Fu, W. T. (2015). Effect of atomic sites on electronic and mechanical properties of (Fe,Mo)6C carbides. Journal of Alloys and Compounds, 649, 1089–1093. doi: http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.06.249
  18. Sevsek, S., Bleck, W. (2018). Ab Initio-Based Modelling of the Yield Strength in High-Manganese Steels. Metals, 8 (1), 34. doi: http://doi.org/10.3390/met8010034
  19. Lv, Z. Q., Shi, Z. P., Li, Y. (2012). First-Principles Study on the Structural, Electronic and Elastic Properties of Alloyed Austenite with Co and Ni. Advanced Materials Research, 503-504, 684–687. doi: http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.503-504.684
  20. Reeh, S., Music, D., Gebhardt, T., Kasprzak, M., Jäpel, T., Zaefferer, S. et. al. (2012). Elastic properties of face-centred cubic Fe–Mn–C studied by nanoindentation and ab initio calculations. Acta Materialia, 60 (17), 6025–6032. doi: http://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.07.038
  21. Guo, T., Siska, F., Cheng, J., Barnett, M. (2018). Initiation of basal slip and tensile twinning in magnesium alloys during nanoindentation. Journal of Alloys and Compounds, 731, 620–630. doi: http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.10.088
  22. Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. (1997). Generalized Gradient Approximation Made Simple. Physical Review Letters, 78 (7), 1396–1405. doi: http://doi.org/10.1103/physrevlett.78.1396
  23. Monkhorst, H. J., Pack, J. D. (1976). Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B, 13 (12), 5188–5192. doi: http://doi.org/10.1103/physrevb.13.5188
  24. Vanderbilt, D. (1990). Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism. Physical Review B, 41 (11), 7892–7895. doi: http://doi.org/10.1103/physrevb.41.7892
  25. Sundman, B., Kattner, U. R., Palumbo, M., Fries, S. G. (2015). OpenCalphad - a free thermodynamic software. Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 4 (1), 1–15. doi: http://doi.org/10.1186/s40192-014-0029-1
  26. Hallstedt, B., Khvan, A. V., Lindahl, B. B., Selleby, M., Liu, S. (2017). PrecHiMn-4 – A thermodynamic database for high-Mn steels. Calphad, 56, 49–57. doi: http://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.11.006
  27. Shihab, T., Prysyazhnyuk, P., Semyanyk, I., Anrusyshyn, R., Ivanov, O., Troshchuk, L. (2020). Thermodynamic Approach to the Development and Selection of Hardfacing Materials in Energy Industry. Management Systems in Production Engineering, 28 (2), 84–89. doi: http://doi.org/10.2478/mspe-2020-0013
  28. Prysyazhnyuk, P., Lutsak, D., Vasylyk, A., Shihab, T., Burda, M. (2015). Calculation of surface tension and its temperature dependence for liquid Cu-20Ni-20Mn alloy. Management Systems in Production Engineering, 12, 346–350.
  29. Kryl’, Y. A., Prysyazhnyuk, P. M. (2013). Structure formation and properties of NbC-Hadfield steel cermets. Journal of Superhard Materials, 35 (5), 292–297. doi: http://doi.org/10.3103/s1063457613050043
  30. Sabzi, M., Dezfuli, S. M. (2018). Post weld heat treatment of hypereutectoid hadfield steel: Characterization and control of microstructure, phase equilibrium, mechanical properties and fracture mode of welding joint. Journal of Manufacturing Processes, 34, 313–328. doi: http://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.06.009
  31. Timoshevskii, A. M., Yablonovskii, S. O., Yeremin, V. I. (2011). Computer Simulation of Atomic Structure and Hyperfine Interactions in Fe–C Austenite. Uspehi Fiziki Metallov, 12 (4), 451–470. doi: http://doi.org/10.15407/ufm.12.04.451
  32. Guo, G. Y., Yablonovskii, S. O., Wang, H. H. (2000). Gradient-corrected density functional calculation of elastic constants of Fe, Co and Ni in bcc, fcc and hcp structures. Chinese Journal of Physics, 38 (5), 949–961.
  33. Seki, I., Nagata, K. (2005). Lattice Constant of Iron and Austenite Including Its Supersaturation Phase of Carbon. ISIJ International, 45 (12), 1789–1794. doi: http://doi.org/10.2355/isijinternational.45.1789
  34. Sahalianov, I. Y., Radchenko, T. M., Tatarenko, V. A., Cuniberti, G., Prylutskyy, Y. I. (2019). Straintronics in graphene: Extra large electronic band gap induced by tensile and shear strains. Journal of Applied Physics, 126 (5), 054302. doi: http://doi.org/10.1063/1.5095600
  35. Wu, Z., Zhao, E., Xiang, H., Hao, X., Liu, X., Meng, J. (2007). Crystal structures and elastic properties of superhardIrN2andIrN3from first principles. Physical Review B, 76 (5). doi: http://doi.org/10.1103/physrevb.76.054115
  36. Lyakhov, A. O., Oganov, A. R. (2011). Evolutionary search for superhard materials: Methodology and applications to forms of carbon and TiO2. Physical Review B, 84 (9). doi: http://doi.org/10.1103/physrevb.84.092103

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-31

Як цитувати

Prysyazhnyuk, P., Shlapak, L., Semyanyk, I., Kotsyubynsky, V., Troshchuk, L., Korniy, S., & Artym, V. (2020). Аналіз впливу легування Si та Cr на властивості марганцевого аустеніту на основі AB INITIO моделювання. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(12 (108), 28–36. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217281

Номер

Том 6 № 12 (108) (2020): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Pavlo Prysyazhnyuk, Liubomyr Shlapak, Iryna Semyanyk, Volodymyr Kotsyubynsky, Liubomyr Troshchuk, Sergiy Korniy, Volodymyr Artym

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.