Анотація до роботи:

Васильєв М.Л. Моделювання рекристалізації та росту зерна в текстурованих полікристалічних матеріалах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – фізика металів. Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, 2006.

Дисертація присвячена створенню та апробації універсальної комп’ютерної моделі рекристалізації та росту зерна в полікристалічних металічних матеріалах і дослідженню методами комп’ютерного моделювання цих процесів в деяких важливих конструкційних матеріалах, зокрема, сплавах на основі титану і заліза.

Вперше створено і апробовано тривимірну, фізично обґрунтовану, статистично достовірну модель, в якій моделювання рекристалізації та росту зерна поєднано в рамках єдиного наближення Монте-Карло. Вихідними параметрами моделі є зеренна мікроструктура (середній розмір і форма зерен), текстура, в т.ч. просторовий розподіл текстурних компонент, орієнтаційні залежності енергії та рухливості границь, просторовий розподіл накопиченої енергії деформації, а також кінетичні і кристалографічні параметри зародкоутворення. Модель дозволяє досліджувати еволюцію мікроструктури і текстури, проводити їх статистичний аналіз і отримувати на будь-якому етапі структурних перетворень залежності кінетичних параметрів, які описують полікристалічний стан металічних матеріалів.

Створену модель використано для дослідження еволюції мікроструктури та текстури при відпалі реальних текстурованих полікристалічних металічних матеріалів. Особливу увагу приділено дослідженню мікроструктурних і текстурних змін у промислових сплавах на основі титану і заліза, для яких наявні необхідні для порівняння експериментальні дані.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що використання створеної моделі дозволить підвищити ефективність досліджень, необхідних для оптимізації термомеханічної обробки металічних матеріалів.

1. Створено і апробовано тривимірну, статистично достовірну модель, в якій моделювання рекристалізації та росту зерна поєднано в рамках єдиного наближення Монте-Карло. Вихідними параметрами моделі є зеренна мікроструктура (середній розмір і форма зерен), текстура (в т.ч., просторовий розподіл текстурних компонент), орієнтаційні залежності енергії та рухливості границь, просторовий розподіл накопиченої енергії деформації, а також кінетичні і кристалографічні параметри зародкоутворення. Модель дозволяє досліджувати еволюцію мікроструктури і текстури, проводити їх статистичний аналіз на будь-якому етапі структурних перетворень і отримувати кінетичні залежності параметрів, які описують полікристалічний стан металічних матеріалів.

2. Запропоновано ряд модифікацій стандартної моделі Монте-Карло, які дозволяють суттєво збільшити швидкість і покращити якість розрахунків. Найбільш суттєвими з них є модифікація обробки елементів, які знаходяться на стиках декількох зерен, що дозволяє правильно відтворювати кінетику руху потрійних ліній, і введення в модель спеціальної функції «фактору форми», що коригує імовірність елементарної події (зміни орієнтації елементу модельного об’єму), і, таким чином, зменшує імовірність фізично необґрунтованого спотворення фронту рекристалізації.

3. Доведено, що текстура має визначальний вплив на кінетику росту зерна. За рівних умов, швидкість росту зерна є тим вищою, чим менш гострою є текстура.

4. Встановлено, що циклічні зміни швидкості росту середнього розміру зерна, які мають місце в текстурованому сплаві Ti-6Al-4V, пов’язані з перерозподілом об’ємної долі різних текстурних компонент. Швидкість росту зерна є максимальною при мінімальній різниці в їх об’ємній долі.

5. На прикладі сплаву Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al показано, що наявність суттєвого текстурного фону може спричинити швидкий розпад гострої текстури в процесі росту зерна. Це дає принципову можливість отримати дрібнозернисту слабо текстуровану мікроструктуру методом швидкісної рекристалізації.

6. Показано, що негомогенний розподіл текстурних компонент в об’ємі, наприклад, за наявності смуг прокатки, може спричинити аномальний ріст зерна в зоні контакту смуг з різною текстурою. Це призводить до просторового перерозподілу текстурних компонент, проте не змінює макроскопічну текстуру.

7. Доведено, що наявність спеціальних границь зерен з геометрією близькою до ґраток співпадаючих вузлів (ҐСВ), і врахування їх специфічних властивостей (енергії та рухливості) суттєво змінює кінетику рекристалізації та наступного росту зерна. Швидкість рекристалізації і середній розмір зерна в момент завершення рекристалізації зростають, проте швидкість їх росту після завершення рекристалізації зменшується. Більш повно ці зміни проявляються у випадку, коли «ефективна» рухливість спеціальних границь є нижчою, ніж рухливість загальних висококутових границь.

8. Показано, що використання при моделюванні просторово негомогенного розподілу накопиченої енергії деформації в об’ємі зерен, з її максимальною концентрацією вздовж границь зерен та випадковими локальними максимумами всередині зерен дозволяє одержати кінетику рекристалізації максимально наближену до реальної.

9. Показано, що створена модель дозволяє передбачити поведінку не лише всього статистичного ансамблю зерен, а і його складових, в тому числі еволюцію розміру та форми окремих зерен. Моделювання кінетики росту окремого зерна свідчить про її немонотонний характер, що добре узгоджується з експериментальними даними.

Публікації автора:

1. O.M. Ivasishin, S.V. Shevchenko, N.L. Vasiliev, S.L. Semiatin: 3D Monte Carlo Simulation of Textute Evolution and Grain Growth During Annealing // Металлофизика и новейшие технологии. 23 № 12 (2001), 1569-1587.

2. S.V. Shevchenko, O.M. Ivasishin, N.L. Vasiliev, and S.L. Semiatin: 3D Monte Carlo Simulation of Textute Evolution and Grain Growth During Annealing. // Materials Week – 2002, Munich, (Germany), September 30 – October 2, 2002. Conference proceedings, CD-ROM.

3. O.M. Ivasishin, S.V. Shevchenko, N.L. Vasiliev, S.L. Semiatin: 3D Monte-Carlo simulation of texture-controlled grain growth // Acta Materialia 51 (2003), 1019-1034.

4. N.L. Vasiliev, O.M. Ivasishin, S.V. Shevchenko, and S.L. Semiatin: A 3-D Monte-Carlo (Potts) Model for Recrystallization and Grain Growth in Polycrystalline Materials // Український фізичний журнал Т 50 №12 (2005), 1260-1273.

5. O.M. Ivasishin, S.V. Shevchenko, N.L. Vasiliev and S.L. Semiatin: 3D Modeling of Recrystallization and Grain growth in Inhomogeneously-Strained Polycrystalline Metallic Materials // MS&T ’05, Pittsburgh (USA), September 25– 28, 2005; Conference proceedings, ASM International, 2005, p 71; CD-ROM.

6. Н.Л. Васильев, С.В. Шевченко, O.M. Ивасишин, А.И. Орнатский: Трехмерное Монте-Карло моделирование рекристаллизации и роста зерна в поликристаллах: оптимизация модели Поттса и реализация программного комплекса // Металлофизика и новейшие технологии 27 № 11 (2005), 1471-1493.