Атомы углерода в междоузлиях кристаллической решётки цементита: ab initio моделирование

Атомы углерода в междоузлиях кристаллической решётки цементита: ab initio моделирование

Автор: Верховых Анастасия Владимировна, Окишев Константин Юрьевич, Мирзаев Джалал Аминулович, Мирзоев Александр Аминулаевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy

Рубрика: Физическая химия и физика металлургических систем

Статья в выпуске: 4 т.18, 2018 года.

Бесплатный доступ

В предшествующих работах было показано, что железная подрешётка структуры цементита Fe3C содержит четыре типа междоузлий, в которых потенциально могут располагаться атомы углерода: «нормальные» и «искажённые» призматические поры (НПП, ИПП) и «нормальные» и «искажённые» октаэдрические поры (НОП, ИПП). Расстояния от центров пор до центров окружающих их z атомов железа составляют 1,99-2,04 Å (НПП, z = 6); 1,80-1,87 Å (НОП, z = 6); 1,62 Å (ИПП, z = 4) и 1,25 Å (ИОП, z = 2). Обычно считается, что все атомы углерода находятся в НПП. В данной работе остальные варианты размещения атомов углерода исследованы при помощи расчётов «из первых принципов» методом FP-LAPW в программном пакете WIEN2k и суперячейки, состоящей из 16 атомов (4 формульных единицы Fe3C). Структура, в которой все атомы углерода находятся в НПП, обладает наименьшей энергией и объёмом. При размещении всех атомов углерода в НОП энергия повышается на 0,267 эВ/атом С, а объём увеличивается на 9,20 %. Если из НПП в НОП переходит лишь один из четырёх атомов углерода, прирост энергии и объёма составляет соответственно 0,233 эВ/атом С и 3,59 %. Структура, в которой один атом углерода находится в ИПП, а остальные три в НПП, обладает энергией на 0,452 эВ/атом С и объёмом на 3,75 % больше, чем при размещении всех их в НПП. Структуры, в которых все атомы углерода находятся в ИПП, а также в которых один или все четыре атома углерода находятся в ИОП, механически нестабильны и самопроизвольно переходят в обычную структуру цементита с углеродом в НПП. Термодинамические оценки, основанные на полученных данных, свидетельствуют, что даже при температурах ниже 1000 К до 20 % атомов углерода могут переходить из НПП в иные типы пор. Расчёты энергии образования углеродной вакансии в цементите (в суперячейке из 128 атомов, содержащей 96 атомов железа и 32 атома углерода) дали результат 0,50 эВ, а железной - 1,34 (для атомов FeG) и 1,60 эВ (для атомов FeS). Во всех этих случаях образование вакансии не вызывало существенного изменения объёма системы.

Еще

Цементит, углерод, поры, энергия образования вакансии, первопринципные расчёты

Короткий адрес: https://sciup.org/147232514

IDR: 147232514   |   DOI: 10.14529/met180404

Список литературы Атомы углерода в междоузлиях кристаллической решётки цементита: ab initio моделирование

  • Andrews, K.W. The structure of cementite and its relation to ferrite / K.W. Andrews // Acta Metallurgica. - 1963. - Vol. 11, no. 8. - P. 939-946. DOI: 10.1016/0001-6160(63)90063-4
  • Эндрюс, К. Электронограммы и их интерпретация / К. Эндрюс, Д. Дайсон, С. Киоун. - М.: Мир, 1971. - 256 с.
  • Fasiska, E.J. On the cementite structure / E.J. Fasiska, G.A. Jeffrey // Acta Crystallographica. - 1965. - Vol. 19, pt. 3. - P. 463-471. DOI: 10.1107/S0365110X65003602
  • Lipson, H. The crystal structure of cementite, Fe3C / H. Lipson, N.J. Petch // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1940. - Vol. 142, no. 2. - P. 95-106.
  • Лященко, Б.Г. Определение положения углерода в цементите нейтронографическим методом / Б.Г. Лященко, Л.М. Сорокин // Кристаллография. - 1963. - Т. 8, вып. 3. - С. 382-387.
  • Meinhardt, D. Strukturuntersuchungen an Karbiden des Eisens, Wolframs und Chroms mit thermischen Neutronen / D. Meinhardt, O. Krisement // Archiv für das Eisenhüttenwesen. - 1962. - Jg. 33, H. 7. - S. 493-499.
  • Thermal expansion and crystal structure of cementite, Fe3C, between 4 and 600 K determined by time-of-flight neutron powder diffraction / I.G. Wood, L. Vočadlo, K.S. Knight et al. // Journal of Appplied Crystallography. - 2004. - Vol. 37, no. 1. - P. 82-90.
  • DOI: 10.1107/S0021889803024695
  • Гардин, А.И. Изучение кристаллического строения цементита с помощью электронографического анализа / А.И. Гардин // Доклады АН СССР. - 1962. - Т. 146, № 5. - С. 1068-1070.
  • Гардин, А.И. Электронографическое исследование структуры цементита / А.И. Гардин // Кристаллография. - 1962. - Т. 7, вып. 6. - С. 854-861.
  • Жуков, А.А. О строении цементита / А.А. Жуков, В.А. Шалашов, В.К. Томас // Литейное производство. - 1965. - № 7. - С. 46.
  • Kagawa, A. Young's modulus and thermal expansion of pure iron-cementite alloy castings / A. Kagawa, T. Okamoto, H. Matsumoto // Acta Metallurgica. - 1987. - Vol. 35, no. 4. - P. 797-803.
  • DOI: 10.1016/0001-6160(87)90157-X
  • Stuart, H. Thermal expansion of cementite and other phases / H. Stuart, N. Ridley // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1966. - Vol. 204, pt. 7. - P. 711-717.
  • Беликов, А.М. Анизотропия тепловых колебаний атомов в кристаллах цементита / А.М. Беликов, А.А. Савинская // Физика металлов и металловедение. - 1962. - Т. 14, вып. 2. - С. 299-301.
  • Inoue, A., Deformation and fracture behaviours of cementite / A. Inoue, T. Ogura, T. Matsumoto // Transactions of the Japan Institute of Metals. - 1976. - Vol. 17, no. 10. - P. 663-672.
  • DOI: 10.2320/matertrans1960.17.663
  • Рохманов, Н.Я. Тепловое расширение цементита заэвтектоидного железоуглеродистого сплава / Н.Я. Рохманов, А.Ф. Сиренко, С.А. Бахарев // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. - № 1. - С. 6-9.
  • О возможных положениях атомов углерода в решётке цементита / В.М. Счастливцев, И.Л. Яковлева, Д.А. Мирзаев, К.Ю. Окишев // Физика металлов и металловедение. - 2003. - Т. 96, № 3. - С. 75-82.
  • Поры в кристаллической решётке цементита и положение атомов углерода / Д.А. Мирзаев, К.Ю. Окишев, В.М. Счастливцев, И.Л. Яковлева // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». - 2003. - № 6 (22), вып. 3. - С. 79-85.
  • Окишев, К.Ю. Анализ возможности перераспределения атомов углерода в решётке цементита / К.Ю. Окишев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2011. - № 36 (253), вып. 17. - С. 56-60.
  • Мирзаев, Д.А. Точечные и плоскостные дефекты в цементите / Д.А. Мирзаев, К.Ю. Окишев // Цементит в углеродистых сталях: коллектив. моногр. / под ред. В.М. Счастливцева. - Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2017. - С. 326-347.
  • Изучение особенностей кристаллической структуры цементита в перлите углеродистой стали методом ЯГР спектроскопии / В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева и др. // Физика металлов и металловедение. - 1996. - Т. 82, № 6. - С. 102-115.
  • Эволюция структуры цементита в углеродистой стали. II. Данные ЯГР спектроскопии / В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева и др. // Физика металлов и металловедение. - 1997. - Т. 84, № 5. - С. 150-156.
  • Влияние термической обработки на локальную атомную структуру цементита Fe3C в стали / А.Н. Маратканова, Ю.В. Рац, Д.В. Сурнин и др. // Физика металлов и металловедение. - 2000. - Т. 89, № 6. - С. 76-81.
  • Маратканова, А.Н. Исследование локальной атомной структуры цементита / А.Н. Маратканова, И.Л. Яковлева, Ю.В. Рац // Физика металлов и металловедение. - 2004. - Т. 98, № 3. - С. 72-79.
  • Счастливцев, В.М. О кристаллической структуре цементита / В.М. Счастливцев // Известия РАН. Серия физическая. - 2005. - Т. 69, № 9. - С. 1292-1296.
  • Исследование локальной атомной структуры цементита / Т.И. Табатчиков, Н.М. Клейнерман, В.М. Счастливцев и др. // Цементит в углеродистых сталях: коллектив. моногр. / под ред. В.М. Счастливцева. - Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2017. - С. 193-217.
  • Эволюция структуры цементита в углеродистой стали. I. Дифракционные данные / В.М. Счастливцев, Т.И. Табатчикова, И.Л. Яковлева и др. // Физика металлов и металловедение. - 1997. - Т. 84, № 4. - С. 61-70.
  • Структурно-фазовые превращения при изотермических отжигах механически сплавленного нанокомпозита железо-аморфная фаза Fe-C: Формирование цементита / Е.П. Елсуков, В.М. Фомин, Д.А. Вытовтов и др. // Физика металлов и металловедение. - 2005. - Т. 100, № 3. - С. 56-74.
  • К вопросу о структуре цементита / Е.П. Елсуков, Г.А. Дорофеев, А.Л. Ульянов, Д.А. Вытовтов // Физика металлов и металловедение. - 2006. - Т. 102, № 1. - С. 84-90.
  • О роли цементита в формировании магнитных гистерезисных свойств пластически деформированных высоокуглеродистых сталей. I. Магнитные свойства и структурное состояние цементита / А.И. Ульянов, Е.П. Елсуков, А.А. Чулкина и др. // Дефектоскопия. - 2006. - № 7. - С. 40-52.
  • О роли цементита в формировании магнитных гистерезисных свойств пластически деформированных высоокуглеродистых сталей. II. Магнитные свойства патентированной проволоки из стали 70 / А.А. Чулкина. А.И. Ульянов, Н.Б. Арсентьева и др. // Дефектоскопия. - 2006. - № 7. - С. 53-64.
  • Байков, А.А. К вопросу о диаграмме превращений сплавов железа с углеродом / А.А. Байков // Журнал Русского металлургического общества. - 1910. - № 6, ч. I. - С. 344-355. (Байков А.А. Собрание трудов. Т. 2. - М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1948. - С. 70-81.)
  • Petch, N.J. The interpretation of the crystal structure of cementite / N.J. Petch // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1944. - Vol. 149. - P. 143-150.
  • Изменение состава, структуры и твёрдости цементита при закалке / А.А. Жуков, В.А. Шалашов, В.К. Томас, Б.Я. Ульянова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1970. - № 1. - С. 18-21.
  • Okamoto, T. Precipitation of ferrite from cementite / T. Okamoto, H. Matsumoto // Metal Science. - 1975. - Vol. 9, no. 1. - P. 8-12.
  • Battezzati, L. Non-stoichiometric cementite by rapid solidification of cast iron / L. Battezzati, M. Baricco, S. Curiotto // Acta Materialia. - 2005. - Vol. 53, no. 6. - P. 1849-1856.
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2004.12.035
  • Медведева, Н.И. Влияние эффектов атомного разупорядочения и нестехиометрии по углеродной подрешётке на зонную структуру цементита Fe3C / Н.И. Медведева, Л.Е. Карькина, А.Л. Ивановский // Физика металлов и металловедение. 2003. - Т. 96, № 5. - С. 16-20.
  • Arzhnikov, A.K. Structural peculiarities of cementite and their influence of magnetic characteristics / A.K. Arzhnikov, L.V. Dobysheva, C. Demangeat // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2007. - Vol. 19, no. 19. - 196214.
  • DOI: 10.1088/0953-8984/19/19/196214
  • Jiang, C. Point defect thermodynamics and diffusion in Fe3C: A first-principles study / C. Jiang, B.P. Uberuaga, S.G. Srinivasan // Acta Materialia. - 2008. - Vol. 56, no. 13. - P. 3236-3244.
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2008.03.012
  • Состав цементита в зависимости от температуры. In-situ нейтронография и результаты ab-initio расчётов / В.И. Воронин, И.Ф. Бергер, Ю.Н. Горностырёв и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 91, вып. 3-4. - С. 154-157.
  • Molecular dynamics simulation and theoretical analysis of carbon diffusion in cementite / E.V. Levchenko, A.V. Evteev, I.V. Belova, G.E. Murch // Acta Materialia. - 2009. - Vol. 57, no. 3. - P. 846-583.
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2008.10.025
  • Schwarz, K. Solid state calculations using WIEN2k / K. Schwarz, P. Blaha // Computational Materials Science. - 2003. - Vol. 28, no. 2. - P. 259-273.
  • DOI: 10.1016/S0927-0256(03)00112-5
  • Kostenetskiy, P.S. SUSU supercomputer resources / P.S. Kostenetskiy, A.Y. Safonov // Proceedings of the 10th Annual International Scientific Conference on Parallel Computing Technologies (PCT 2016). Arkhangelsk, Russia, March 29-31, 2016. CEUR Workshop Proceedings. - 2016. - Vol. 1576. - P. 561-573.
  • Верховых А.В., Мирзоев А.А., Мирзаев Д.А. Ab initio моделирование влияния кремния на образование карбида Fe3C в ОЦК-железе. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». - 2018. - Т. 10, № 4. - С. 78-87.
  • DOI: 10.14529/mmph180409
  • Murnaghan, F.D. The compressibility of media under extreme pressures / F.D. Murnaghan // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 1944. - Vol. 30, no. 9. - P. 244-247.
  • DOI: 10.1073/pnas.30.9.244
  • Hydrogen-vacancy interaction in bcc iron: ab initio calculations and thermodynamics / D.A. Mirzaev, A.A. Mirzoev, K.Yu. Okishev, A.V. Verkhovykh // Molecular Physics. - 2014. - Vol. 112, no. 13. - P. 1745-1754.
  • DOI: 10.1080/00268976.2013.861087
  • Meschel, S.V. Standard enthalpies of formation of some 3d transition metal carbides by high temperature reaction calorimetry / S.V. Meschel, O.J. Kleppa // Journal of Alloys and Compounds. - 1997. - Vol. 257, no. 1-2. - P. 227-233.
  • DOI: 10.1016/S0925-8388(97)00023-6
  • Guillermet, A.F. Cohesive properties and vibrational entropy of 3d-transition metal carbides / A.F. Guillermet, G. Grimvall // Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1992. - Vol. 53, no. 1. - P. 105-125.
  • DOI: 10.1016/0022-3697(92)90019-A
  • Electronic structure and magnetic properties of Fe3C with 2p and 3p impurities / O.Yu. Gutina, N.I. Medvedeva, I.R. Shein et al. // Physica status solidi (b). - 2009. - Vol. 246, no. 9. - P. 2167-2171. 10.1002/pssb. 200945064
  • DOI: 10.1002/pssb.200945064
  • Ande, C.K. First-principles prediction of partitioning of alloying elements between cementite and ferrite / C.K. Ande, M.H.F. Sluiter // Acta Materialia. - 2010. - Vol. 58, no. 19. - P. 6276-6281.
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2010.07.049
  • Shull, C.G. Neutron diffraction studies of the magnetic structure of alloys of transition elements / C.G. Shull, M.K. Wilkinson // Physical Review. - 1955. - Vol. 97, no. 2. - P. 304-310.
  • DOI: 10.1103/PhysRev.97.304
  • Счастливцев, В.М. Структурные превращения в перлите при нагреве. II. Источник фазового наклёпа и рекристаллизация феррита / В.М. Счастливцев, И.Л. Яковлева, Д.А. Мирзаев // Физика металлов и металловедение. - 1994. - Т. 78, вып. 3. - С. 94-103.
  • Hong, M.H. Atom probe and transmission electron microscopy investigations on heavily drawn pearlitic steel wire / M.H. Hong, W.T. Reynolds Jr., T. Tarui, K. Hono // Metallurgical and Materials Transactions A. - 1999. - Vol. 30, no. 3. - P. 717-727.
  • DOI: 10.1007/s11661-999-0063-3
  • Перлит в углеродистых сталях / В.М. Счастливцев, Д.А. Мирзаев, И.Л. Яковлева и др. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006. - 312 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp