Transition Metals and their Carbides, Nitrides and Carbonitrides
from a CALPHAD Perspective
Tid: Må 2021-12-20 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_bHKRhY7dQvGgpuZUnWkyhQ
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Fredrik Haglöf , Skolan för industriell teknik och management (ITM), Enheten strukturer
Opponent: Associate Professor Mauro Palumbo, University of Turin, Department of Chemistry
Handledare: Professor Malin Selleby, Materialvetenskap, Strukturer; Docent Andreas Blomqvist, Materialvetenskap; Docent Susanne Norgren, Sandvik Coromant R&D
Abstract
CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) metodiken består av tre hörnstenar, dvs. experiment, beräkningsmetoder (tex. Density Functional Theory (DFT)) och termodynamiska modeller, vilka tillsammans används för att skapa CALPHAD beskrivningar. I den här avhandlingen används CALPHAD-metodiken, inklusive alla tre delar, för att studera övergångsmetaller och deras karbider, nitrider och karbonitrider. Fokuset ligger i huvudsak på övergångsmetaller som är viktiga inom stål- och hårdmetallindustrin. Några av svagheterna och osäkerheterna i befintliga thermodynamiska beskrivningar av dessa övergångsmetaller identifieras och undersöks med hjälp av antingen experiment eller beräkningsmetoder, varpå nya beskrivningar presenteras.
En metod för beräkning av den molära Gibbsenergin som funktion av temperatur (Gm(T)) för metastabila magnetiska komponenter utvecklas. Metoden använder DFT i kombination med Debye-Grüneisen-modellen och den empiriska magnetiska modellen som ofta används inom CALPHAD. Den utvecklade metoden kan också användas för att uppskatta den magnetiska omvandlingstemperaturen (TC eller TN). Dessutom presenteras två nya tillvägagångssätt för hur man ska behandla beräkningar på dynamiskt instabila komponenter. Detta är viktigt eftersom det ofta är anledningen till att DFT-beräkningar på metastabila komponenter misslyckas. Metoden utvecklas och verifieras på bcc-, fcc- och hcp-allotroper av Fe, Co och Ni, och används sedan för att beräkna Gm(T) beskrivningar för fcc-TiC, fcc-CrC, fcc-CrN, hcp-Cr2C och hcp-Cr2N. Dessutom används samma metod också för att beräkna överskottet av Gibbs energi vid 0 K för interaktionerna CrC-TiC(fcc), CrC-CrN (fcc) och Cr2C-Cr2N (hcp), samt TC och TN som funktion av sammansättning för samma sammansättningsintervall.
Experiment utförs vid 1673 och 1773 K för att bestämma lösligheten av Cr i MC (M = Ti, Cr) och Ti i M3C2 och M7C3, i jämvikterna MC-M3C2-M7C3 och MC-M3C2-grafit i C-Cr-Ti-systemet. Lösligheterna mäts med EDS/WDS och verifieras med XRD/Rietveld-förfining.
De experimentella och beräknade resultaten för C-Cr-Ti-systemet används tillsammans med litteraturdata för att utföra en ny anpassning av detta system. Jämfört med den tidigare CALPHAD-beskrivningen innehåller den nya beskrivningen också uppdaterade beskrivningar för två av de tre ingående binära systemen (C-Ti och Cr-Ti) och reproducerar de experimentella resultaten i det isopleta snittet TiC-Cr3C2 som finns i litteraturen.
Sammanfattningsvis är resultatet av denna avhandling en uppdaterad CALPHAD-beskrivning av C-Cr-Ti-systemet och beräknade Gm(T)-beskrivningar, inklusive magnetiska egenskaper, för allotroper av Fe, Co, Ni och flera parametrar i C-Cr-N-systemet. Den utvecklade metoden för beräkning av Gm(T) för metastabila magnetiska komponenter är också ett användbart verktyg för beräkning av Gm(T) för många andra övergångsmetaller och deras karbider, nitrider och karbonitrider.