V

1
Význam experimentálního a teoretického studia
termodynamiky a kinetiky fázových rovnováh(ve
vybraných soustavách kovu a jejich slitin)

• RNDr. Jirí Sopoušek, CSc.
• (Katedra teoretické a fyzikální chemie,
  Prírodovedecká fakulta Masarykovy univerzity v
   Brne)
• Paralelní cíl presentace Predložení výsledku
  habilitacní práce zarazené do kontextu vývoje v
  oboru.
• http//sci.muni.cz/sopousek/index.html
• (tato presentace, presentace verejné prednášky,
  matematický komentár metody CALPHAD a KINETIKY,
  clánky autora, granty, , vc. odkazu na
  výberovou prednášku pro studenty)

2
Osnova prednášky

• Rovnovážné stavy
• - CALPHAD metoda, výpocty a predikce fázových
  diagramu
• Kinetika fázových transformací (rízených difuzí)
• - možnosti využití výsledku simulací pro
  predikci mikrostrukturní fázová stability
  materiálu a svarových spoju
• Nejbližší smery, cíle a perspektivy

Pri prezentaci budou použity jen vybrané cásti a
odkazy na stežejní clánky.
obsah habilitacní práce
3
Sledované soustavy kovu a jejich slitin

• Cíle
• Vylepšení technologie a užitných vlastností
  stávajících materiálu
• Pochopení souvislosti mezi fázovými a fyzikálními
  vlastnostmi materiálu za provozních podmínek
  (zejména pri vysokých teplotách).
• Vývoj nových progresivních materiálu

Teoretické modelování a experimentální studium
strukturní stability moderních žárupevných ocelí
a jejich svaru Doba projektu 1.1.
2003-31.12. 2005 c. grantu GA CR
106/03/0636 Nositel R. Foret (FSI VUT Brno,
ÚMI-OSFA) Spolurešitel J. Sopoušek (Pr. fakulta
MU) Spolurešitel A. Kroupa (Ústav fyziky
materiálu AV CR) Teoretické a experimentální
studium modelových soustav na bázi niklu a
termodynamický popis fázových rovnováh Doba
projektu 1.1. 2001-31.12. 2003 c. grantu GA
CR 106/02/0876 Nositel P. Brož (KFCh, Pr. F.
MU Brno) Spolurešitel J.. Buršík (ÚFM AV CR,
Brno).

• Soustavy na bázi Fe (C,N, Cr,Ni,Mn,
  Si,W,Mo,V,..) žárupevné oceli, nerezové oceli,
  modelové slitiny
• Soustavy na bázi Ni (Al,Cr, W,Co,Ta) niklové
  superslitiny

Duvod technologický a inženýrský zájem a
objednávka (grantová podpora)
4
ROVNOVÁŽNÉ STAVY

• Základem je fyzikální chemie rovnovážná
  termodynamika
• Studium fázových rovnováh v tuhém stavu
• Rovnovážné fázové stavy za vysokých teplot
  (približne od 500C výše)

Príklad mikrostruktury Ni-superslitiny
Koexistující fáze ?? (po 100h pri 1273C).
5
CALPHAD metoda

• Termodynamické parametry (experimentálne
  dosažitelné z termodynamických merení, získatelné
  z fázových dat, ab-initio výpocet )

Termodynamická databáze
?
Gibbsova energie fází jako funkce p, T a složení

• Termodynamické modely fáze viz matematický
  komentár k práci na osobní www stránce

Gibbsova energie fází jako funkce p, T a složení
Gibbsova všech energie fází jako funkce p, T a
složení
Celkové složení soustavy, T,p, vazné podmínky
(zákon zachování hmoty, stechiometrie,
elektroneutrality)
?
Minimalizace celkové Gibbsovy energie soustavy
?

• Podmínená minimalizace úcelové funkce mnoha
  promenných

?
Rešení fázové rovnováhy (složení koexistujících
fází,)
Fázový diagram soustavy
?

• J. Sopoušek, A. Kroupa, R. Dojiva, J. Vreštál
  The PD-Package for Multicomponent Isobaric Phase
  Equilibrum Calculations, CALPHAD, 17 (1993),
  229-236.

92Sop
6
Výpocty fázových diagramu (optimalizace
chemického složení a technologie)
Rez FD žárupevné oceli P91 Fe-9Cr-0,1Ni- 0,96
Mo-0,3V- 0,045N-0,1C (Mn, Si, P, S, Nb) 1
bccMXM23M6 2 bccfccMX 3 bccM23M7MX
fccMX
FccM7MX
fcc MXM23
2
bcc carbid M23 Carbonitrid MX
bccM7MX
3
Význam
?
FD ? fázová mikrostruktura ? fyzikální
vlastnosti ? mechanické vlastnosti
1
?

• R. Foret, J. Sopoušek, V. Jan Simulation of
  Dissimilar Weld Joints of Steel P91, in print
  Science and Technology of Welding and Joining.

03For
7
Predikce fázových diagramu perspektivních soustav
(soustavy s dusíkem)
Rez fázovým diagramem soustavy Fe-Cr-10Mn-N
(1000C, 1Atm)
Oblast existence fázové struktury vyznacující
se požadovanými vlastnostmi
?
Význam
Zvýšení efektivity materiálového designu

• J. Kunze, P. Brož, J. Sopoušek, W. Gruner
  Thermodynamic Investigation of the Austenite and
  the Delta Ferrite in the System Fe-Cr-Mn-N, Steel
  research, 6/1 (1996), 26-33.

96Kun
8
Výpocet chemického potenciálu a aktivity složek
(Použití predpoved stability heterogenních
svarových spoju)
Uhlík nejvíce ovlivnuje mikrostrukturní stabilitu
spoje

• (popr. chemický potenciál uhlíku)

Význam
Prístup oužitélný i v prípade lokální
nehomogenity materiálu

• J. Sopoušek, V. Jan, R. Foret Simulaton of
  carbon and nitrogen diffusion in heterogeneous
  wedements of  heat-resistant steels

Sop1
9
KINETIKA (difúzne rízených deju a fázových
transformací)

• Predpoklad lokální fázové rovnováhy (umožnuje
  výpocet gradientu chemického potenciálu tj. hnací
  síly difúze)
• Difúze v soustavách tvorených matricí (bcc, fcc,
  bcc_b2) a dispergovanou fází (karbidy,
  karbonitridy, fcc_L12,), aproximace celami
  skulovou symetrií.
• Difúzi ve ve svárových spojích (1D symetrie)

10
Simulace difúzne rízeného problému
Virtuální vzorek v PC, numerická sít, zadání
lokálního složení, teploty a tlaku
Kinetická databáze
Termodynamická databáze
_________________________________________________


?
?
Lokální chemický potenciál (TF)
Mobility (KF)
Gibbsova energie
?
?
?
?
Matice difúzních koeficientu
Lokální koexistence fází
?
?
?
rešení rovnováhy toku mezi fázemi a urcení
lokálních toku složek
?
?
zmena rozložení fází a složek v soustave ?
casový krok
?
11
(No Transcript)
12
Zpusoby využití výsledku difúzne rízených
kinetických simulací

• Jednofázové problémy
• (homogenizace, nauhlicování, )
• Vícefázové problémy (hrubnutí a rozpouštení fází,
  simulace tuhnutí tavenin, ochranné vrstvy,
  výpocty transformacních diagramu (TTT), ,
• Kooperativní rust (simulace perlitické
  transformace, )
• Dispersní systémy
• (nitridace, stárnutí materiálu, odhady
  zbytkových životností,simulace svárových spoju,

Duležité
Konec efektivních difúzních koeficientu v
disperzních vícefázových soustavách
13
Svary moderních žárupevných ocelí
Elektroda (3Cr-1Mo-C)
9Cr-1Mo ocel s uhlíkem a dusíkem (P91)
Teplotní expozice 112h pri 650C.
Svarové rozhraní ?
Vysoký podíl karbidu M23C6 ???
Oduhlicená zóna ???????
14
Simulovaný fázový profil po teplotní expozici
3Cr1Mo
P91
Svarový vzorek 3Cr1Mo/P91 (650C /112h)
Predpoved
Fázová mikrostruktura v oduhlicené zóne je
kritickým místem mechanických vlastností

• J. Sopoušek, B. Million Carbon Profile Analysis
  of Fe-Cr-C/Fe-Cr-Ni-C Diffusion Joints, In print
  Metallic materials, April (2003).

03Mil
15
Experimentální dukazzmeny mechanických
vlastností v oduhlicené zóne

• kvalifikovaný pohled na problematiku svarových
  spoju pro technologie pracující za vysokých
  teplot
• konec semiempirických metod výberu elektrod
• simulace výberu vhodných svarových kombinací pro
  nove vyvíjené konstrukcní materiály

mikrotvrdost
Oduhlicená zóna
Význam
16
Svarové spoje Ni-superslitin(Soustavy
70Ni-Al-(Cr-Ta-W-Co), usporádané intermetalikum
fcc_L12)

• Vynikající mechanické vlastnosti a odolnost za
  vysokých teplot creepová odolnost, pevnost v
  tahu, odolnost proti korozi a oxidaci
  (predpokládaná aplikace napr. obežná kola
  leteckých proudových turbín)

17
Simulace a experimentální studium
Experimentalní a simulovaná redistribuce složek
a fází po teplotní expozici 1200ºC/100h.
J. Sopoušek, P. Brož, J. Buršík Theoretical and
experimental study of alloying element
redistributions in Ni-based welded joints at
1200ºC and 1000ºC
Sop2
18
Dohledné perspektivy studia soustav kovu a jejich
slitin
Úkoly nyní rešitelné vyžadující cas, lidské a
financní zdroje

• Rovnovážné stavy
• Pokracování ve vývoji konzistentních
  termodynamických databází (ekonomický zájem,
  spolecenská objednávka, progresivní skupiny
  materiálu,).
• Plánovaný experiment (overování predikcí fázových
  diagramu)
• Kinetika
• Tvorby kinetických databází, experiment
• 3D simulace (zahrnutí distribuce velikosti, tvar
  fází, )
• Zahrnutí jiných mechanismu difuze (nizké teploty,
  dráhy vysoké difúzivity,..)

19
Tvurcí úkoly

• Rovnovážné stavy
• Výpocty fázové stability z prvních principu
• Propojen fázový diagram, fázová mikrostruktura a
  fyzikální vlastnosti
• Kinetika
• Nerovnovážný potenciál na mezifází
• Nukleacní mechanismy, stavy a procesy za nízkých
  teplot

20
Soucasné smery spolecenské objednávky v sledované
oblasti

• Niklové superslitiny (letecký prumysl)

• Materiály pro energetiku (mikrostrukturní
  stabilita fázových a pevnostních vlastností pri
  zvýšených a vysokých teplotách (odhady zbytkové
  životnosti technologií turbíny elektráren,
  chemické a nukleární reaktory, sváry,

• Ekologické projekty (bezolovnaté pájky,
  kontejnery pro radioaktivní odpad,)

• .