Монте-Карло моделирование активности углерода в ОЦК-железе

Abstract

Задача исследования заключалась в проверке предложенных в литературе значений энергии взаимодействия между атомами углерода в ОЦК-железе для различных координационных сфер. Цель работы: рассчитать активность углерода в ОЦК-железе, используя различные параметры взаимодействий между атомами углерода. Методы: для моделирования использовалась самописная программа по Монте-Карло, в которой была рассмотрена суперячейка 20×20×20 элементарных ячеек объёмно-центрированного (ОЦК) железа. Нами была проведена оптимизация, в ходе которой была получена сходимость результата усреднения при 500 шагах Монте-Карло. Расчеты проводили для широкого диапазона температур (Т = 955, 975, 1000, 1026, 1056, 1070, 1086, 1121 К). Результаты: наши расчеты показали, что почти все предложенные параметризации согласуются с экспериментальными данными, поскольку при низких концентрациях атомы углерода практически не взаимодействуют. Чтобы изучить влияние взаимодействия атомов углерода на кривую активности, нам пришлось расширить наши расчеты до области более высоких концентраций, чем наблюдаются на самом деле. Это позволило нам сравнить различные параметризации и получить ряд интересных выводов. Кроме того, мы продемонстрировали возможность воспроизведения экспериментальных кривых активности углерода для нескольких наборов параметров С–С взаимодействия. Новизна работы: мы продемонстрировали, что для расчета активности углерода в ОЦК-железе достаточно вычислить энергии С–С взаимодействия для первых четырех координационных сфер. Практическая значимость заключается в получении новой теоретической информации, необходимой для разработки новых марок сталей и режимов термической обработки их. The research problem is to verify the literature-proposed values of carbon atomic interactions in BCC iron for various coordination spheres. The goal hereof is to compute the carbon activity in BCC iron using various carbon-atom interaction parameters. Methods: An author-coded Monte Carlo program is used for simulation; the program analyzes a supercell comprised of 20×20×20 unit cells of body-centered cubic (BCC) iron. The paper presents a successfully optimized solution that attains convergence of averaging at 500 Monte Carlo steps. Computations are performed for a wide temperature range (T = 955, 975, 1000, 1026, 1056, 1070, 1086, 1121 K). Results: Computations show that virtually all of the proposed parameterizations are consistent with the experimental data, as carbonatom barely interact at low concentrations. Computations are further expanded to cover higher-thanreal concentrations to study how carbon atoms could affect the activity curve. This enables a comparison of various parameterizations, bringing a few interesting findings. Besides, the research demonstrates that experimental carbon activity curves can be reproduced for multiple C–C interaction configurations. The novelty of this research is that computing the energy of C–C interaction for the first four coordination spheres suffices for computing the carbon activity in BCC iron. The practical significance is that the research has produced new theoretical data that will be made use of when developing new steel grades and designing new thermal-treatment processes.