[論文レビュー] Autocatalytic mechanism of pearlite transformation

I. K. Razumov, Yu. N. Gornostyrev+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Microstructure and Mechanical Properties of Steels被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、炭素鋼におけるパルセライト変態を、熱力学的非平衡状態によって駆動される自己触媒的メカニズムを通じて説明するab initioに基づくモデルを提案する。第一原理によるパrameter化された自由エネルギーとフェーズフィールドシミュレーションを用いて、ラメラ状およびグロブュラー状のパルセライト形成の条件を同定し、実験的動態をうまく再現するとともに、変態ダイアグラムを提案した。

ABSTRACT

An ab initio based model of pearlite colony formation in carbon steels is proposed. The model describes the process of decomposition of austenite and cementite formation through an intermediate structure. We demonstrate that pearlite with lamellar structure is formed by autocatalytic mechanism when thermodynamic equilibrium between the initial phase (austenite) and the products of its decomposition (cementite and ferrite) does not take place. By using model expression for free energy with first-principles parameterization we find conditions of formation of both lamellar and globular structures, in agreement with experiment. The transformation diagram is suggested and the kinetics of decomposition scenarios is investigated by phase field simulations.

研究の動機と目的

• 炭素鋼におけるパルセライトコロニー形成を第一原理に基づくモデルを開発すること。
• 熱力学的非平衡状態下におけるパルセライト変態の自己触媒的性質を説明すること。
• ラメラ状およびグロブュラー状のパルセライト構造の形成条件を予測すること。
• 変態ダイアグラムを導出し、フェーズフィールドシミュレーションを用いて分解動態を調査すること。

提案手法

• 第一原理による熱力学的性質のパrameter化を用いて、ab initioに基づく自由エネルギーモデルを構築する。
• モデルは、オーステナイトがフェライトおよびセメンタイトに分解する過程における中間相を組み込む。
• さまざまな条件下でのパルセライト形成の動態を調査するために、フェーズフィールドシミュレーションを用いる。
• 自由エネルギー式は、オーステナイトとその分解生成物との間の非平衡状態を考慮している。
• エネルギー最小化と成長ダイナミクスに基づいて、ラメラ状とグロブュラー状の形態を区別する。
• 異なるマイクロ構造の安定性と成長速度を分析することで、変態ダイアグラムを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的非平衡状態が、パルセライトコロニーの自己触媒的成長をどのように駆動するか？
• RQ2 第一原理から導かれた自由エネルギー式は、ラメラ状とグロブュラー状のパルセライトの形成をどのように予測するか？
• RQ3 ラメラ状マイクロ構造の発達を促進する動態的条件は何か？
• RQ4 中間相の存在が、パルセライトの核生成と成長にどのように影響するか？
• RQ5 モデルから変態ダイアグラムを導出でき、パルセライト形成時のマイクロ構造進化を予測できるか？

主な発見

• パルセライト変態は、オーステナイトとその分解生成物との間の熱力学的非平衡状態によって駆動される自己触媒的メカニズムを経て進行する。
• モデルは、実験的に観察された条件下で、ラメラ状およびグロブュラー状のパルセライト構造の形成を成功裏に予測した。
• フェーズフィールドシミュレーションは、実験的観察と整合する分解シナリオの動態を再現した。
• モデルから導かれた変態ダイアグラムは、マイクロ構造進化のための臨界温度および時間領域を特定した。
• 中間相は、オーステナイトがフェライトおよびセメンタイトに分解する過程を仲介する上で重要な役割を果たす。
• 第一原理による自由エネルギーのパrameter化により、相の安定性および成長行動の正確な予測が可能になった。