Математическое моделирование фазовых превращений в сталях в рамках подхода диффузионной границы

В сталях наблюдаются все известные для твердого состояния фазовые превращения: полиморфное с широким спектром морфологических и кинетических особенностей; эвтектоидный распад (перлитное превращение); распад пересыщенных твердых растворов внедрения и замещения; упорядочение с изменением ближнего и дальнего порядка в аустените и мартенсите. Важная особенность данных систем заключается также в резко различающейся диффузионной подвижности металлических атомов и углерода, поэтому при превращениях перестройка кристаллической решетки может происходить наряду с диффузионным перераспределением углерода и легирующих элементов. В представленной работе в рамках подхода диффузионной границы производится моделирование изменения структурного состояния сплавов, происходящего при термомеханической нагрузке. В подходе «диффузионной границы» форма и взаимное расположение областей, которые составляют микроструктуру, описываются непрерывными по пространству и времени функциями, переменными фазового поля, поэтому положение границы с течением времени неявно определяется изменением данных параметров. Изменение во времени переменных фазового поля описывается кинетическими уравнениями, которые были получены в рамках термодинамики необратимых процессов. Фаза рассматривается как область, которая в равновесном состоянии имеет вполне определенный термодинамический потенциал, отличный от потенциала других фаз. С целью выделения областей системы с различными значениями термодинамического потенциала вводится совокупность параметров, определяющих доли различных фаз. Учитываются также особенности твердофазного состояния, когда сильное межатомное взаимодействие вызывает при превращениях возникновение полей упругих напряжений, а стремление системы к снижению энергии упругой деформации обусловливает действие различных релаксационных механизмов, которые влияют на форму, ориентировку, взаимное расположение и внутреннюю структуру кристаллов новых фаз. В работе представлен алгоритм решения рассмотренной задачи и результаты численного эксперимента по моделированию изотермических мартенситных переходов в сталях.