Неравновесная термодинамическая модель для расчета диффузионных потоков при фазовых превращениях в легированных сталях

Фазовые превращения в легированных сплавах железа с углеродом в значительной степени связаны с диффузией компонентов, в первую очередь с углеродом. Для анализа диффузионных процессов в легированных сталях можно использовать математические методы неравновесной термодинамики. Уравнения для диффузионных потоков системы содержит неизвестные в общем случае коэффициенты активности элементов и вакансий и их производные по концентрациям, что чрезвычайно затрудняет определение значений перекрестных коэффициентов. В статье разработана неравновесная термодинамическая методика расчета диффузионных потоков при наличии двух фаз в легированных сталях. Она позволяет рассчитать в уравнениях Онзагера как прямые, так и перекрестные коэффициенты. Приведены формулы расчета термодинамических сил для легированной стали – железа, легирующего элемента замещения – хрома, элемента введения – углерода и вакансий. Предложены общие выражения для расчета перекрестных коэффициентов, движущих сил и потоков в уравнениях Онзагера для многокомпонентной термодинамической системы. Приведен пример использования разработанной модели для поиска изменений концентраций и диффузионных потоков во времени. Для используемой модельной системы установлено, что на стадии преимущественной диффузии углерода в легированной стали включения цементита размером около 18 нм образуются довольно быстро (в течение ~ 200 с). Разработанная в статье методика позволяет проводить расчеты диффузионной кинетики в многокомпонентных термодинамических системах, которыми также являются сплавы железо-углерод, и контролировать размер образующихся фаз, например наночастиц карбидов.