МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В БЕЙНИТНЫХ СТАЛЯХ

Авторы

  • Артем Дмитриевич Филяков Сибирский государственный индустриальный университет https://orcid.org/0000-0002-8168-8809
  • Владимир Дмитриевич Сарычев Сибирский государственный индустриальный университет
  • Илья Игоревич Чумачков Сибирский государственный индустриальный университет https://orcid.org/0000-0003-4721-6821

DOI:

https://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-2(44)-60-71

Ключевые слова:

модель фазового поля, JMAK, фазовые превращения, бейнитная сталь, рельсы

Аннотация

К механическим свойствам и эксплуатационным характеристикам рельсовых сталей предъявляются повышенные требования. В связи с этим разработка новых марок рельсовых сталей на сегодняшний день является актуальной задачей. Бейнитные стали, не содержащие карбидов, являются своего рода потенциальными кандидатами для применения на железных дорогах, благодаря своей более высокой вязкости разрушения, сопротивлению усталости и износостойкости. Процесс термической обработки оказывает существенное влияние на механические свойства бейнитных рельсовых сталей. Решающим фактором, определяющим технологию производства рельсовых сталей, является прогнозирование микроструктуры. Для того, чтобы отойти от метода перебора, необходимо создавать
математические модели охлаждения рельсов, учитывающие химический состав стали. Для моделирования структурно-фазовых превращений в рельсах для неизотермических условий разрабатываются два подхода: Аврами-Колмогорова с учетом правила Шейля и модель фазового поля. Настоящий обзор посвящен современным исследованиям по компьютерному моделированию структурно-фазовых превращений по этим двум подходам. Первый подход был предложен в 30-е годы XX века для изотермических условий, позднее был развит для неизотермического случая в рамках правила Шейля. В настоящее время к этому подходу интерес со стороны исследователей не ослабевает из-за малого времени расчета. Однако описать пространственное распределение фаз и структур этот метод не может, поэтому активно развиваются методы фазового поля, расчеты по которому могут занимать от нескольких часов до нескольких суток. В представленном обзоре проведен анализ указанных подходов, а также продемонстрированы их ограничения.

Биографии авторов

Артем Дмитриевич Филяков, Сибирский государственный индустриальный университет

научный сотрудник Лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений

Владимир Дмитриевич Сарычев, Сибирский государственный индустриальный университет

к.т.н., доцент, доцент кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М.Финкеля

Илья Игоревич Чумачков, Сибирский государственный индустриальный университет

младший научный сотрудник

Библиографические ссылки

Garnham J.E., Davis C.L. Rail materials. In: Wheel-rail interface handbook. 2009. P. 125–171. https://doi.org/10.1533/9781845696788.1.125

Vickerman R. International Encyclopedia of Transportation. Elsevier, 2021. P. 4569–4418.

Mićić M., Brajović L., Lazarević L., Popović Z. Inspection of RCF rail defects – Review of NDT methods // Mechanical Systems and Signal Processing. 2023. Vol. 182. Article 109568.

Królicka A., Lesiuk G., Radwański K., Kuziak R., et al. Comparison of fatigue crack growth rate: Pearlitic rail versus bainitic rail // International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 149. Article 106280. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106280

Aglan H.A. Fatigue crack growth and fracture behavior of bainitic rail steels. United States. Federal Railroad Administration. Office of Railroad Policy and Development, 2011.

Ruijie Z., Chunlei Z., Bo L., Xubiao W., Xiaofeng L., et al. Research progress on rolling contact fatigue damage of bainitic rail steel // Engineering Failure Analysis. 2022. Article 106875. http://dx.doi.org/10.56748/ejse.131621

Hasan S.M., Chakrabarti D., Singh S.B. Dry rolling/sliding wear behaviour of pearlitic rail and newly developed carbide-free bainitic rail steels // Wear. 2018. Vol. 408. P. 151–159. https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.05.006

Tung P.Y., Zhou X., Morsdorf L., Morsdorf L., et al. Formation mechanism of brown etching layers in pearlitic rail steel // Materialia. 2022. Vol. 26. Article 101625. http://dx.doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101625

Wang K., Tan Z., Gao G., Gui X., Misra, Bingzhe Baia. 2016. “Ultrahigh strength-toughness combination in Bainitic rail steel: The determining role of austenite stability during tempering” // Materials Science and Engineering A..2016. Vol. 662. P. 162–168. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2016.03.043

Zhang R., Zheng C., Chen C., Lv B., et al. Study on fatigue wear competition mechanism and microstructure evolution on the surface of a bainitic steel rail // Wear. 2021. Vol. 482. Article 203978. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2021.203978

Stock R., Pippan R. RCF and wear in theory and practice-The influence of rail grade on wear and RCF // Wear. 2011. Vol. 271. No. 1-2. P. 125–133. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2010.10.015

Ueda M., Matsuda K. Effects of carbon content and hardness on rolling contact fatigue resistance in heavily loaded pearlitic rail steels // Wear. 2020. Vol. 444. Article 203120. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203120

Kumar A., Dutta A.,Makineni S.K., HerbigM., et al. In-situ observation of strain partitioning and damage development in continuously cooled carbide-free bainitic steels using micro digital image correlation // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 757. P. 107–116. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2019.04.098

Sourmail T., Caballero F.G., García-Mateo C., Smanio V., et al. Evaluation of potential of high Si high C steel nanostructured bainite for wear and fatigue applications // Materials Science and Technology. 2013. Vol. 29. No. 10. P. 1166–1173. http://dx.doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000242

Kumar A., Makineni S.K., Dutta A., Goulas C., et al. Design of high-strength and damage-resistant carbide-free fine bainitic steels for railway crossing applications // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 759. P. 210–223.

Leiro A., Kankanala A., Vuorinen E., Prakash B. Tribological behaviour of carbide-free bainitic steel under dry rolling/sliding conditions // Wear. 2011. Vol. 273. No. 1. P. 2–8. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2011.03.025

Hu F., Wu K.M., Hodgson P.D. Effect of retained austenite on wear resistance of nanostructured dual phase steels // Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. No. 1. P. 40–48.

Liu J., Li Y., Zhang Y., Hu Y., et al. Dry rolling/sliding wear of bainitic rail steels under different contact stresses and slip ratios // Materials. 2020. Vol. 13. No. 20. P. 4678. http://dx.doi.org/10.3390/ma13204678

Masoumi M., Ariza E.A., Sinatora A., Goldenstein H. Role of crystallographic orientation and grain boundaries in fatigue crack propagation in used pearlitic rail steel // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 722. P. 147–155. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2018.03.028

Zhou Y., Wang S., Wang T., Xu Y., Li Z. Field and laboratory investigation of the relationship between rail head check and wear in a heavyhaul railway // Wear. 2014. Vol. 315. No. 1–2. P. 68–77. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2014.04.004

Ding H.H., Fu Z.K., Wang W.J., Guo J., et al. Investigation on the effect of rotational speed on rolling wear and damage behaviors of wheel/rail materials // Wear. 2015. Vol. 330. P. 563–570. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2014.12.043

Huang Y.B., Shi L.B., Zhao X.J., Cai Z.B., et al. On the formation and damage mechanism of rolling contact fatigue surface cracks of wheel/rail under the dry condition // Wear. 2018. Vol. 400. P. 62–73. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2017.12.020

Guo L.C., Zhu W.T., Shi L.B., Liu Q.Y., et al. Study on wear transition mechanism and wear map of CL60 wheel material under dry and wet conditions // Wear. 2019. Vol. 426. P. 1771–1780. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2018.12.049

Maya-Johnson S., Santa J. F., Toro A. Dry and lubricated wear of rail steel under rolling contact fatigue-Wear mechanisms and crack growth // Wear. 2017. Vol. 380. P. 240–250. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2017.03.025

Benoît D., Salima B., Marion R. Multiscale characterization of head check initiation on rails under rolling contact fatigue: Mechanical and microstructure analysis // Wear. 2016. Vol. 366. P. 383–391. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2016.06.019

Messaadi M., Oomen M., Kumar A. Friction modifiers effects on tribological behaviour of bainitic rail steels // Tribology international. 2019. Vol. 140. Article 105857.

Lee K.M., Polycarpou A.A. Wear of conventional pearlitic and improved bainitic rail steels // Wear. 2005. Vol. 259. No. 1–6. P. 391–399. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2005.02.058

Hasan S.M., Chakrabarti D., Singh S.B. Dry rolling/sliding wear behaviour of pearlitic rail and newly developed carbide-free bainitic rail steels // Wear. 2018. Vol. 408. P. 151–159. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2018.05.006

Liu J.P., Li Y.Q., Zhou Q.Y., Zhang Y. H., et al. New insight into the dry rolling-sliding wear mechanism of carbide-free bainitic and pearlitic steel // Wear. 2019. Vol. 432. Article 202943. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.202943

Chen Y., Ren R., Pan J., Pan R., et al. Microstructure evolution of rail steels under different dry sliding conditions: A comparison between pearlitic and bainitic microstructures // Wear. 2019. Vol. 438. Article 203011. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203011

Li Q., Guo J., Zhao A. Effect of upper bainite on wear behaviour of high-speed wheel steel // Tribology Letters. 2019. Vol. 67. P. 1–9.

Kuziak R., Pidvysotskyy V., Pernach M., Rauch L., et al. Selection of the best phase transformation model for optimization of manufacturing processes of pearlitic steel rails //Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2019. Vol. 19. P. 535–546. http://dx.doi.org/10.1016/j.acme.2018.12.004

Tehler M. Modeling phase transformations and volume changes during cooling of case hardening steels. KTH, 2009.

Bzowski K., Rauch L., Pietrzyk M. Application of statistical representation of the microstructure to modeling of phase transformations in DP steels by solution of the diffusion equation // Procedia Manufacturing. 2018. Vol. 15. P. 1847–1855. http://dx.doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.205

Rauch L., Kuziak R., Pietrzyk M. From high accuracy to high efficiency in simulations of processing of Dual-Phase steels // Metallurgical and Materials transactions B. 2014 Vol. 45. P. 497–506. http://dx.doi.org/10.1007/s11663-013-9926-5

Rheingans B., Mittemeijer E.J. Phase transformation kinetics: advanced modeling strategies // JOM. 2013. Vol. 65. P. 1145–1154.

Starink M.J. On the meaning of the impingement parameter in kinetic equations for nucleation and growth reactions // Journal of Materials Science. 2001. Vol. 36. No. 18. P. 4433–4441.

Todinov M.T. On some limitations of the Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov equation // Acta materialia. 2000. Vol. 48. No. 17. P. 4217–4224.

Kempen A.T.W., Sommer F., Mittemeijer E.J. Determination and interpretation of isothermal and non-isothermal transformation kinetics; the effective activation energies in terms of nucleation and growth // Journal of materials science. 2002. Vol. 37. P. 1321–1332. https://doi.org/10.1023/a:1014556109351

Liu F., Sommer F., Bos C., Mittemeijer E.J. Analysis of solid state phase transformation kinetics: models and recipes // International materials reviews. 2007. Vol. 52. No. 4. P. 193–212. http://dx.doi.org/10.1179/174328007X160308

Robson J.D. Modeling competitive continuous and discontinuous precipitation // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 20. P. 7781–7790. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2013.09.017

Ranganathan S., Von Heimendahl M. The three activation energies with isothermal transformations: applications to metallic glasses // Journal of Materials Science.1981. Vol. 16. P. 2401–2404.

Liu F., Sommer F., Mittemeijer E.J. Analysis of the kinetics of phase transformations; roles of nucleation index and temperature dependent site saturation, and recipes for the extraction of kinetic parameters // Journal of Materials Science. 2007. Vol. 42. P. 573–587.

Dill E.D., Folmer J.C.W., Martin J.D. Crystal growth simulations to establish physically relevant kinetic parameters from the empirical Kolmogorov–Johnson–Mehl–Avrami model // Chemistry of Materials. 2013. Vol. 25. No. 20. P. 3941–3951.

Weinberg M.C. A test of the Johnson-Mehl-Avrami equation // Journal of crystal growth. 1987. Vol. 82. No. 4. P. 779–780. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(87)80025-8

Weinberg M.C., Birnie III D.P., Shneidman V.A. Crystallization kinetics and the JMAK equation // Journal of non-crystalline solids. 1997. Vol. 219. P. 89–99. https://doi.org/10.1016/S0022-3093%2897%2900261-5

Kelton K.F., Spaepen F.A study of the devitrification of Pd82Si18 over a wide temperature range // Acta Metallurgica. 1985. Vol. 33. No. 3. P. 455–464.

Yinnon H., Uhlmann D.R. Applications of thermoanalytical techniques to the study of crystallization kinetics in glass-forming liquids, part I: theory // Journal of NonCrystalline Solids. 1983. Vol. 54. No. 3. P. 253–275.

Levine L.E., Narayan K.L., Kelton K.F. Finite size corrections for the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov equation // Journal of Materials Research. 1997. Vol. 12. P. 124–132.

Chen L.Q. Annu Rev Mater Res // Annu. Rev. Mater. Res. 2002. Vol. 32. P. 113–140.

Fallah V., Amoorezaei M., Provatas N., Corbin S.F., et al. Phase-field simulation of solidification morphology in laser powder deposition of Ti–Nb alloys // Acta Materialia. 2012. Vol. 60. No. 4. P. 1633–1646. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2011.12.009

Beckermann C., Diepers H.J., Steinbach I., Karma A., et al. Modeling melt convection in phase-field simulations of solidification // Journal of Computational Physics. 1999. Vol. 154. No. 2. P. 468–496.

Böttger B., Apel M., Eiken J., Schaffnit P., et al. Phase‐Field simulation of solidification and solid‐state transformations in multicomponent steels // Steel Research International. 2008. Vol. 79. No. 8. P. 608–616. http://dx.doi.org/10.2374/SRI08SP021-79-2008-608

Tiaden J. Phase-field simulations of the peritectic solidification of Fe-C // Journal of Crystal Growth. 1999. Vol. 198. P. 1275–1280.

Steinbach I., Pezzolla F., Nestler B., Seeßelberg M., et al. A phase field concept for multiphase systems // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1996. Vol. 94. No. 3. P. 135–147.

Militzer M. Phase field modeling of microstructure evolution in steels // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2011. Vol. 15. No. 3. P. 106–115. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2010.10.001

Pariser G., Schaffnit P., Steinbach I., Bleck, W. Simulation of the γ–α‐transformation using the phase‐field method // Steel Research. 2001. Vol. 72. No. 9. P. 354–360. http://dx.doi.org/10.1002/srin.200100130

Elder K.R., Grant M., Provatas N., Kosterlitz J. M. Sharp interface limits of phase-field models // Physical Review E. 2001. Vol. 64. No. 2. Article 021604. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.64.021604

Jou H.J., Lusk M.T. Comparison of Johnson-Mehl-Avrami-Kologoromov kinetics with a phase-field model for microstructural evolution driven by substructure energy // Physical Review B. 1997. Vol. 55. No. 13. P. 8114. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.55.8114

Загрузки

Опубликован

30.06.2023

Как цитировать

Филяков, А. Д. ., Сарычев, В. Д. ., & Чумачков, И. И. . (2023). МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В БЕЙНИТНЫХ СТАЛЯХ. Вестник Сибирского государственного индустриального университета, 1(2), 60–71. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-2(44)-60-71

Выпуск

Раздел

Металлургия и материаловедение

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)