Phase field modeling of precipitation reactions in miscibility gap systems

Abstract

Som en ryggrad till skärande verktyg och bergborrningsindustrin har hårdmetaller använts i stor utsträckning på grund av deras höga hårdhet och slitstyrka. De flesta kommersiellt använda hårdmetaller innehåller en hård fas gjord av volframkarbid (WC) och en bindefas som vanligtvis är formbar. På senare tid önskas en sekundär hård fas genom att ersätta W i WC delvis med en eller flera metallersättningar såsom Ti, V, Ta, Cr och Zr för att förbättra dess mekaniska egenskaper. De nyutvecklade karbiderna observeras ofta uppvisa ovanliga mikrostrukturer under åldrandet. Till exempel har (Ti,Zr)C närvarande tillsammans med WC observerats genomgå fasseparation från en övermättad fas, kallad , till Ti-rika och Zr-rika domäner som lämnar efter sig en rad fällningar som morfologiskt manifesterar sig som lameller. Denna fasseparationsprocess har betecknats som diskontinuerlig utfällning (DP) eftersom den liknar den klassiska DP-reaktionen som observeras i vissa binära och flerkomponentsystem. Beteendet kommer från närvaron av ett blandbarhetsgap i karbiden Ref. Borgh et al. 2014, Maet al. 2016 på grund av vilket systemets vanliga reaktion bör vara att genomgå spinodal nedbrytning (SD), men karbiden väljer en annan väg vilket ifrågasätter styrande mekanism bakom dess nedbrytningsprocess. Flera faktorer tros påverka en sådan process och en av sådana faktorer är töjningsenergin, som genereras på grund av skillnaden i gitterparametrar för de separerande faserna. Jämfört med ett annat blandbarhetsgapsystem, såsom Fe-Cr, är töjningsenergin i allmänhet ganska låg och responsen är SD. Andra faktorer såsom korngränsdiffusion, atomrörlighet och gradientenergikoefficient () tros också ha en inverkan på nedbrytningsprocessen. Därför krävs en grundlig undersökning av faktorerna och ett kraftfullt verktyg för att studera den spatio-temporala utvecklingen av mikrostrukturen, såsom fasfältsmetoden, bör användas.

Enligt vissa experiment observeras lamellerna i allmänhet bilda kärnor vid korngränserna och senare växa med hjälp av korngränsmigrering Ref. Borgh et al. 2014. Den rörliga korngränsen lämnar efter sig en serie omväxlande strängar av Ti- och Zr-rika faser. Tillväxtmekanismen bakom den rörliga gränsen tros vara assisterad av diffusion av löst ämne längs korngränsen och generering av den elastiska töjningsenergin av den. Fenomenet är allmänt känt som diffusionsinducerad korngränsmigrering (DIGM) och det tros vara en viktig del av DP Ref. Hillert et al. 1977, Chongmo et al. 1981. För att återskapa DIGM och DP krävs en energetisk koppling mellan molfraktionen och fasfältsvariabeln så att den står för den genererade töjningsenergin under processen. Huvudfokus för denna avhandling kommer att vara att utveckla en fasfältsmodell som redogör för sådan koppling som kommer att förutsäga DIGM i binära system och använda den vidare som ett medium för att modellera DP i (Ti,Zr)C. Modellen för DP skulle kunna användas för att förutsäga och kontrollera dess bildning då dess förekomst är benägen att öka hårdheten hos karbiderna. Därför kan den användas som ett verktyg för att designa legeringar och utveckla bättre alternativ. Alternativen skulle kunna användas för att förhindra DP i karbiderna, vilket skulle kunna göras genom att använda olika metallersättningar som kommer att föredra SD framför DP eller vice versa.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-317078