Компьютерная модель изобарной фазовой диаграммы Cu–Ni–Mn: верификация интервалов кристаллизации и смены типа трехфазной реакции
Аннотация
Цель статьи – показать возможности пространственных компьютерных моделей фазовых диаграмм в решении задач цифровизации материаловедения. Проведено исследование высокотемпературной части изобарной фазовой диаграммы системы Cu–Ni–Mn с учетом двух полиморфных модификаций марганца (dMn и gMn). Для лучшего понимания строения фазовой диаграммы на первом этапе разработан ее прототип с увеличенными температурными
и концентрационными интервалами между бинарными точками с сохранением топологического строения, который затем модифицирован в модель фазовой диаграммы, соответствующей реальной системе. Фазовая диаграммы Cu–Mn–Ni выше 800 °С сформирована тремя парами поверхностей ликвидуса, солидуса и трансуса (верхняя «ликвидусная» и нижняя «солидусная» поверхности) и тремя линейчатыми поверхностями с горизонтальным расположением образующего сегмента.
Выявлен эффект смены перитектического (L + dMn → gMn) равновесия на метатектическое (dMn → L + gMn). Рассмотрены особенности кристаллизации при смене типа трехфазного превращения, построена поверхность смены знака приращения массы расплава и вертикальные материальные балансы для трехфазной области L + dMn + gMn. Поверхность двухфазной реакции, на которой происходит смена типа трехфазного превращения, является линейчатой и определяется при помощи алгоритма расчета смены знака приращения массы жидкой фазы. При проецировании на треугольник составов трехфазная область с учетом поверхности смены типа трехфазной реакции разбивается на шесть концентрационных полей, четыре из которых различаются этапами кристаллизации
и формируемым набором микроструктуры. Рассчитаны изотермические разрезы в диапазоне температур между двумя точками минимума, расположенными в системах Cu–Mn и Mn–Ni при нулевом интервале кристаллизации между долинами ликвидусной и солидусной поверхностей и с учетом интервала кристаллизации.
Пространственная модель фазовой диаграммы значительно расширяет возможности компьютерного дизайна материалов. В частности, получено решение задачи о смене типа трехфазной реакции, которое невозможно реализовать ни термодинамическими расчетами, ни расчетами из первых принципов.
Скачивания
Литература
Akash K., Mani Prabu S. S., Gustmann T., Jayachandran S., Pauly S., Palani I. A. Enhancing the life cycle behaviour of Cu–Al-Ni shape memory alloy bimorph by Mn addition. Materials Letters. 2018;226: 55–58. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.05.008
Gera D., Santos J., Kiminami C. S., Gargarella P. Comparison of Cu–Al–Ni–Mn–Zr shape memory alloy prepared by selective laser melting and conventional powder metallurgy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2020;30(12): 3322–3332. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(20)65464-4
Kang H., Yang Z., Yang X., Li J., He W., Chen Z., Guo E., Zhao L.-D., Wang T. Preparing bulk Cu–Ni-Mn based thermoelectric alloys and synergistically improving their thermoelectric and mechanical properties using nanotwins and nanoprecipitates. Materials Today Physics. 2021;17: 100332. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100332
Binary alloy phase diagrams. Vol. 1. Massalski T. B. (ed.). Ohio: American Society for Metals, Metals Park; 1986. 1100 p.
State diagrams of binary metal systems*. Vol. 2. Ljakishev N. P. (ed.). Moscow: Mashinostroenie Publ.; 1997. 1024 p. (In Russ.)
Hellawell A., Hume-Rothery W. The construction of alloys of iron and manganese with transition elements of the first long period. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1957;249: 417–459. http://doi.org/10.1098/rsta.1957.0004
Wachtel E., Terzieff P., Bahle J. Aufbau und magnetische Eigenschaften manganreicher Cu–Mn– und Mn–Sn-Legierungen. Monatshefte für Chemie. 1986;117(12): 1349–1366. http://doi.org/10.1007/bf00810745
Kaufman L. Coupled phase diagrams and thermochemical data for transition metal binary systems-VI. Calphad. 1979;3(1): 45–76. https://doi.org/10.1016/0364-5916(79)90020-8
Lewin K. , Sichen D. , Seetharaman S. Thermodynamic study of the Cu–Mn system. Scandinavian Journal of Metallurgy. 1993;22(6): 310–316. Available at: https://www.researchgate.net/publication/262068679_Thermodynamic_study_of_the_Cu–Mn_system
Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu–Mn–Zn system in the copper-rich corner. Calphad. 2004;28(3): 313–320. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2004.09.003
Turchanin M. A., Agraval P. G., Abdulov A. R. Phase equilibria and thermodynamics of binary copper systems with 3d-metals. IV. Copper – Manganese system. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2006;45(11–12): 569–581. https://doi.org/10.1007/s11106-006-0121-y
Wang C. P., Liu X. J., Ohnuma I., Kainuma R., Ishida K. Thermodynamic assessments of the Cu–Mn–X (X: Fe, Co) systems. Journal of Alloys and Compounds. 2007;438(1–2): 129–141. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.08.018
He C., Du Y., Chen H.-L., Liu S., Xu H., Ouyang Y., Liu Z.-K. Thermodynamic modeling of the Cu–Mn system supported by key experiments. Journal of Alloys and Compounds. 2008;457(1–2): 233–238. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.03.041
Cui S., Jung I.-H. Thermodynamic modeling of the Cu–Fe–Cr and Cu–Fe–Mn systems. Calphad. 2017;56: 241–259. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2017.01.004
Binary alloy phase diagrams. Vol. 2. Massalski T. B. (ed.). Ohio: American Society for Metals, Metals Park; 1986. 2224 p.
Gokcen N. A. The Mn–Ni (manganese-nickel) system. Journal of Phase Equilibria. 1991;12(3): 313–321. https://doi.org/10.1007/BF02649919
Miettinen J. Thermodynamic solution phase data for binary Mn–based systems. Calphad. 2001;25(1): 43–58. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(01)00029-3
Guo C., Du Z. Thermodynamic optimization of the Mn–Ni system. Intermetallics. 2005;13(5): 525–534. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2004.09.002
an Mey S. Thermodynamic re-evaluation of the Cu–Ni system. Calphad. 1992;16(3): 255–260. https://doi.org/10.1016/0364-5916(92)90022-P
Turchanin M. A., Agraval P. G., Abdulov A. R. Phase equilibria and thermodynamics of binary copper systems with 3d-metals. VI. Copper-nickel system. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2007;46: 467–477. https://doi.org/10.1007/s11106-007-0073-x
Tesfaye F., Vaajamo I., Hamuyuni J., Lindberg D., Taskinen P., Hupa L. Experimental investigation and thermodynamic re-assessment of the ternary coppernickel-lead system. Calphad. 2018;61: 148–156. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2018.03.006
Parravano N. Alloys of nickel, manganess, and copper. Gazzetta Chimica Italiana. 1913;42: 385–394.
Parravano N. Ternary alloys of iron-nickelmanganese,nickel-manganese-copper, and ironmanganese-copper. Intern. Z. Metallog. 1913;4: 171–202.
Anosov V. Ja., Pogodin S. A. Fundamentals of physical and chemical analysis. Moscow: Nauka Publ.; 1976. 504 p. (In Russ.)
Sun W., Xu H., Du Y., Liu S., Chen H., Zhang L.,Huang B.-Y. Experimental investigation and thermodynamic modeling of the Cu–Mn–Ni system. Calphad. 2009;33(4): 642–649. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2009.07.003
Pikunov M. V., Sidorov E. V. Phase diagrams of three-component systems corresponding to unbounded solid solutions with a temperature extremum. Steel in Translation. 2008;38(1): 1–4. https://doi.org/10.3103/S0967091208010014
Palatnik L. S., Landau A. I. Phase Equilibria in Multicomponent Phase Diagrams. New York: Holt Rinehart and Winston, Inc.; 1964. 454 p.
Petrov D. A. Binary and ternary systems. Мoscow: Metallurgija Publ.; 1986. 256 p. (In Russ.)
Pikunov M. V., Sidorov E. V. Structure of the phase diagram of the Cu–Ni–Mn system. Steel in Translation. 2008;38(5): 351–354. https://doi.org/10.3103/S096709120805001X
Bazhenov V. E., Pikunov M. V. Temperatureminimum line in the Cu–Ni–Mn phase diagram. Steel in Translation. 2010;40(3): 225–228. https://doi.org/10.3103/S0967091210030071
Pashkov A. I. Research and development of technology for obtaining alloys of the Cu–Mn–Ni system by mechanical alloying for high-temperature soldering*. Cand. tech. sci. diss. Abstr. Moscow: 2009. 28 p. (In Russ.).
Available at: https://www.dissercat.com/content/issledovanie-i-razrabotka-tekhnologii-polucheniyasplavov-
sistemy-Cu-Mn–ni-metodom-mekhanich
Bazhenov V. E. The study of crystallization processes of ternary alloys in order to assess their tendency to non-equilibrium crystallization*. Cand. tech. sci. diss. Abstr. Moscow: 2013. 25 p. (In Russ.). Available
at: https://www.dissercat.com/content/izucheniekristallizatsionnykh-protsessov-troinykh-splavov-stselyu-
otsenki-ikh-sklonnosti-k
Bazhenov E. V. On the Cu–Ni–Mn system state diagram. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya = Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2013;(1): 49–55. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.17073/0021-
-2013-1-49-55
Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu–Mn–Ni system at the Cu–Ni side. Calphad. 2003;27(2): 147–152. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2003.08.003
Turchanin M. A., Velikanova T. Y., Agraval P. G., Abdulov A. R., Dreval’ L. A. Thermodynamic assessment of the Cu–Ti–Zr system. III. Cu–Ti–Zr system. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2008;47: 586–606. https://doi.org/10.1007/s11106-008-9062-y
Ivanchenko V. G., Pryadko T. V., Gavrylenko I. S., Pogorelaya V. V. Phase equilibria in the Ti–TiMn2–ZrMn2–Zr partial system. Chemistry of Metals and Alloys. 2008;1: 67–72. https://doi.org/10.30970/cma1.0004
Lutsyk V. I., Zelenaya A. E., Zyryanov A. M. Multicomponent systems simulation by the software of “Diagrams Designer”. Journal of International Scientif ic Publications: Materials, Methods & Technologies. 2008;2: 176–184. Available at: https://www.scientific-publications.net/download/materialsmethods-and-technologies-2008.pdf
Vorob’eva V. P., Zelenaya A. E., Lutsyk V. I., Lamueva M. V. A 3D computer model of the CaO–MgO–Al2O3 T-x-y diagram at temperatures above 1300 °C. Condensed Matter and Interphases. 2021;23(3): 380–386. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3529
Lutsyk V. I., Vorob’eva V. P. Investigation of the conditions for changing the type of three-phase transformation in the Ti–Ir–Ru system. Perspektivnye materialy = Perspective materials. 2011;(S13): 191–198.
(In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=17635587
Lutsyk V. I., Zelenaya A. E., Zyryanov A. M. Specific features of the crystallization of melts in systems with a transition from syntectic equilibrium to monotectic equilibrium. Crystallography Reports. 2009;54(7): 1300–1307. https://doi.org/10.1134/S1063774509070281
Kainzbauer P., Richter K. W., Effenberger H. S., Giester G., Ipseret H. The ternary Bi-Mn–Sb phase diagram and the crystal structure of the ternary* phase Bi0.8MnSb0.2. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2019;40: 462–481. https://doi.org/10.1007/s11669-019-00719-x
Florian G., Gabor A. R., Nicolae C. A. … Rotaru P. Thermomechanical, calorimetric and magnetic properties of a Ni–Ti shape-memory alloy wire. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020;140(2): 147–527. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08869-3
Li H., Ruan J., Ueshima N., Oikawa K. Experimental investigations of fcc/bcc phase equilibria in the Cr–Mn–Ni ternary system. Intermetallics. 2020;127: 106994. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106994
Ruan J., Ueshima N., Li H., Oikawa K. Phase equilibria, martensitic transformations and deformation behaviors of the subsystem of Cantor alloy-low-cost Fe–Mn–Cr alloys. Materialia. 2021;20: 101231. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101231
Copyright (c) 2022 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
