Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 Význam experimentálního a teoretického studia termodynamiky a kinetiky fázových rovnováh (ve vybraných soustavách kovů a jejich slitin) RNDr. Jiří Sopoušek,

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 Význam experimentálního a teoretického studia termodynamiky a kinetiky fázových rovnováh (ve vybraných soustavách kovů a jejich slitin) RNDr. Jiří Sopoušek,"— Transkript prezentace:

1 1 Význam experimentálního a teoretického studia termodynamiky a kinetiky fázových rovnováh (ve vybraných soustavách kovů a jejich slitin) RNDr. Jiří Sopoušek, CSc. (Katedra teoretické a fyzikální chemie, Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně) Paralelní cíl presentace: Předložení výsledků habilitační práce zařazené do kontextu vývoje v oboru. (tato presentace, presentace veřejné přednášky, matematický komentář metody CALPHAD a KINETIKY, články autora, granty, …, vč. odkazu na výběrovou přednášku pro studenty)

2 2 Osnova přednášky Rovnovážné stavy - CALPHAD metoda, výpočty a predikce fázových diagramů Kinetika fázových transformací (řízených difůzí) - možnosti využití výsledků simulací pro predikci mikrostrukturní fázová stability materiálů a svarových spojů Nejbližší směry, cíle a perspektivy Při prezentaci budou použity jen vybrané části a odkazy na stěžejní články. [obsah habilitační práce]:

3 3 Sledované soustavy kovů a jejich slitin 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 Cíle: Vylepšení technologie a užitných vlastností stávajících materiálů Pochopení souvislosti mezi fázovými a fyzikálními vlastnostmi materiálů za provozních podmínek (zejména při vysokých teplotách). Vývoj nových progresivních materiálů Důvod: technologický a inženýrský zájem a objednávka (grantová podpora) Teoretické modelování a experimentální studium strukturní stability moderních žárupevných ocelí a jejich svarů Doba projektu: č. grantu: GA ČR 106/03/0636 Nositel: R. Foret (FSI VUT Brno, ÚMI-OSFA) Spoluřešitel:J. Sopoušek(Př. fakulta MU) Spoluřešitel: A. Kroupa(Ústav fyziky materiálů AV ČR) Teoretické a experimentální studium modelových soustav na bázi niklu a termodynamický popis fázových rovnováh Doba projektu: č. grantu: GA ČR 106/02/0876 Nositel: P. Brož (KFCh, Př. F. MU Brno) Spoluřešitel: J.. Buršík (ÚFM AV ČR, Brno).

4 4 ROVNOVÁŽNÉ STAVY Základem je fyzikální chemie: rovnovážná termodynamika Studium fázových rovnováh v tuhém stavu Rovnovážné fázové stavy za vysokých teplot (přibližně od 500°C výše) Příklad mikrostruktury Ni-superslitiny: Koexistující fáze γ+γ’ (po 100h při 1273°C).

5 5 Termodynamická databáze Gibbsova energie fází jako funkce p, T a složení Řešení fázové rovnováhy (složení koexistujících fází,…) Fázový diagram soustavy     Celkové složení soustavy, T,p, vazné podmínky (zákon zachování hmoty, stechiometrie, elektroneutrality) Minimalizace celkové Gibbsovy energie soustavy Gibbsova energie fází jako funkce p, T a složení Gibbsova všech energie fází jako funkce p, T a složení  Termodynamické parametry (experimentálně dosažitelné z termodynamických měření, získatelné z fázových dat, „ab-initio výpočet“ ) Termodynamické modely fáze: viz matematický komentář k práci na osobní www stránce J. Sopoušek, A. Kroupa, R. Dojiva, J. Vřešťál: The PD-Package for Multicomponent Isobaric Phase Equilibrum Calculations, CALPHAD, 17 (1993), Podmíněná minimalizace účelové funkce mnoha proměnných CALPHAD metoda [92Sop]:

6 6 Výpočty fázových diagramů (optimalizace chemického složení a technologie) fcc+MX bcc+ carbid M23+ Carbonitrid MX Fcc+M7+MX 1 2 fcc+ MX+M23 3 bcc+M7 +MX  Řez FD žárupevné oceli P91: Fe-9%Cr-0,1%Ni- 0,96%Mo-0,3%V- 0,045%N-0,1%C (Mn, Si, P, S, Nb) 1 bcc+MX+M23+M6 2 bcc+fcc+MX 3 bcc+M23+M7+MX R. Foret, J. Sopoušek, V. Jan: Simulation of Dissimilar Weld Joints of Steel P91, in print: Science and Technology of Welding and Joining. [03For] Význam: FD  fázová mikrostruktura  fyzikální vlastnosti  mechanické vlastnosti

7 7 Predikce fázových diagramů perspektivních soustav (soustavy s dusíkem) Řez fázovým diagramem soustavy Fe-Cr-10Mn-N (1000°C, 1Atm) Oblast existence fázové struktury vyznačující se požadovanými vlastnostmi 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), [96Kun] Zvýšení efektivity materiálového designu Význam:

8 8 Uhlík nejvíce ovlivňuje mikrostrukturní stabilitu spoje Výpočet chemického potenciálu a aktivity složek (Použití: předpověď stability heterogenních svarových spojů) J. Sopoušek, V. Jan, R. Foret: Simulaton of carbon and nitrogen diffusion in heterogeneous wedements of heat-resistant steels [Sop1] (popř. chemický potenciál uhlíku) Přístup oužitélný i v případě lokální nehomogenity materiálu Význam:

9 9 KINETIKA (difúzně řízených dějů a fázových transformací) Předpoklad lokální fázové rovnováhy (umožňuje výpočet gradientu chemického potenciálu tj. hnací síly difúze) Difúze v soustavách tvořených matricí (bcc, fcc, bcc_b2) a dispergovanou fází (karbidy, karbonitridy, fcc_L12,…), aproximace celami skulovou symetrií. Difúzi ve ve svárových spojích (1D symetrie)

10 10 Virtuální vzorek v PC, numerická síť, zadání lokálního složení, teploty a tlaku Simulace difúzně řízeného problému Kinetická databázeTermodynamická databáze Mobility (KF) Gibbsova energie Lokální koexistence fází Matice difúzních koeficientů řešení rovnováhy toků mezi fázemi a určení lokálních toků složek Lokální chemický potenciál (TF) _________________________________________________   časový krok      změna rozložení fází a složek v soustavě    

11 11

12 12 Způsoby využití výsledků difúzně řízených kinetických simulací Jednofázové problémy (homogenizace, nauhličování, …) Vícefázové problémy (hrubnutí a rozpouštění fází, simulace tuhnutí tavenin, ochranné vrstvy, výpočty transformačních diagramů (TTT),, … Kooperativní růst (simulace perlitické transformace, …) Dispersní systémy (nitridace, stárnutí materiálů, odhady zbytkových životností,simulace svárových spojů, … Konec efektivních difúzních koeficientů v disperzních vícefázových soustavách Důležité:

13 13 Svary moderních žárupevných ocelí Teplotní expozice 112h při 650°C. Elektroda (3%Cr- 1%Mo-C) Oduhličená zóna  Svarové rozhraní  9%Cr- 1%Mo ocel s uhlíkem a dusíkem (P91) Vysoký podíl karbidů M23C6 

14 14 Simulovaný fázový profil po teplotní expozici 3Cr1MoP91 Svarový vzorek 3Cr1Mo/P91 (650°C /112h) Předpověď: J. Sopoušek, B. Million: Carbon Profile Analysis of Fe-Cr-C/Fe-Cr-Ni-C Diffusion Joints, In print: Metallic materials, April (2003). Fázová mikrostruktura v oduhličené zóně je kritickým místem mechanických vlastností [03Mil]

15 15 Experimentální důkaz: změny mechanických vlastností v oduhličené zóně Oduhličená zóna mikrotvrdost Význam: kvalifikovaný pohled na problematiku svarových spojů pro technologie pracující za vysokých teplot konec semiempirických metod výběru elektrod simulace výběru vhodných svarových kombinací pro nově vyvíjené konstrukční materiály

16 16 Svarové spoje Ni-superslitin (Soustavy 70%Ni-Al-(Cr-Ta-W-Co), uspořádané intermetalikum fcc_L12) Vynikající mechanické vlastnosti a odolnost za vysokých teplot: creepová odolnost, pevnost v tahu, odolnost proti korozi a oxidaci (předpokládaná aplikace např.: oběžná kola leteckých proudových turbín)

17 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 18 Dohledné perspektivy studia soustav kovů a jejich slitin Rovnovážné stavy – Pokračování ve vývoji konzistentních termodynamických databází (ekonomický zájem, společenská objednávka, progresivní skupiny materiálů,…). – Plánovaný experiment (ověřování predikcí fázových diagramů) Kinetika – Tvorby kinetických databází, experiment – 3D simulace (zahrnutí distribuce velikosti, tvar fází, … ) – Zahrnutí jiných mechanismů difůze (nizké teploty, dráhy vysoké difúzivity,..) Úkoly nyní řešitelné vyžadující čas, lidské a finanční zdroje

19 19 Rovnovážné stavy – Výpočty fázové stability z prvních principů – Propojen fázový diagram, fázová mikrostruktura a fyzikální vlastnosti Kinetika – Nerovnovážný potenciál na mezifází – Nukleační mechanismy, stavy a procesy za nízkých teplot Tvůrčí úkoly

20 20 Současné směry společenské objednávky v sledované oblasti Niklové superslitiny (letecký průmysl) Materiály pro energetiku (mikrostrukturní stabilita fázových a pevnostních vlastností při zvýšených a vysokých teplotách (odhady zbytkové životnosti technologií – turbíny elektráren, chemické a nukleární reaktory, sváry, Ekologické projekty (bezolovnaté pájky, kontejnery pro radioaktivní odpad,…) ….


Stáhnout ppt "1 Význam experimentálního a teoretického studia termodynamiky a kinetiky fázových rovnováh (ve vybraných soustavách kovů a jejich slitin) RNDr. Jiří Sopoušek,"

Podobné prezentace


Reklamy Google