[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种基于从头计算的模型，通过热力学非平衡驱动的自催化机制，解释碳钢中珠光体转变。利用第一性原理参数化的自由能和相场模拟，该模型确定了层状与粒状珠光体形成的条件，成功再现了实验动力学，并提出了一个转变图。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于第一性原理的碳钢珠光体簇形成模型。
• 解释在热力学非平衡条件下珠光体转变的自催化特性。
• 预测层状与粒状珠光体结构的形成条件。
• 推导转变图并利用相场模拟研究分解动力学。

提出的方法

• 通过热力学性质的第一性原理参数化，构建基于从头计算的自由能模型。
• 该模型在奥氏体分解为铁素体和渗碳体的过程中引入中间相结构。
• 采用相场模拟研究在不同条件下珠光体形成的动力学。
• 自由能表达式考虑了奥氏体与其分解产物之间的非平衡状态。
• 该模型基于能量最小化和生长动力学，区分层状与球状形貌。
• 通过分析不同微观结构的稳定性和生长速率，生成转变图。

实验结果

研究问题

• RQ1 热力学非平衡在驱动珠光体簇自催化生长中起什么作用？
• RQ2 第一性原理导出的自由能表达式如何预测层状与粒状珠光体的形成？
• RQ3 哪些动力学条件有利于珠光体转变中层状微观结构的发展？
• RQ4 中间相的存在如何影响珠光体的形核与生长？
• RQ5 能否从模型中推导出转变图以预测珠光体形成过程中的微观结构演化？

主要发现

• 由于奥氏体与其分解产物之间存在热力学非平衡，珠光体转变通过自催化机制进行。
• 该模型在实验观测条件下成功预测了层状与粒状珠光体结构的形成。
• 相场模拟再现了与实验观察一致的分解动力学情景。
• 从模型推导出的转变图识别了微观结构演化的临界温度与时间区间。
• 中间相在奥氏体分解为铁素体和渗碳体的过程中起关键媒介作用。
• 自由能的第一性原理参数化实现了对相稳定性和生长行为的精确预测。