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nonstoichiometry and thermodynamic stability of cementite in Fe-C system

Research Project

Project/Area Number 16K14435
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Material processing/Microstructural control engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

OHTANI HIROSHI  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70176923)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 飯久保 智  九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (40414594)
徳永 辰也  九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40457453)
榎木 勝徳  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60622595)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywordsセメンタイト / 非化学量論化合物 / 混合エントロピー / 結晶・組織制御
Outline of Final Research Achievements

Theoretical calculations based on the cluster expansion and cluster variation method were applied to the cementite phase. A thermodynamic model was constructed for the cementite phase, assuming that the C atoms occupied the octahedral interstitial vacancy sites, and the Gibbs free energy in the compositional range between 0% and 40 mol% C was evaluated. It was found that at higher temperature cementite is stabilized in the off-stoichiometric composition region because of the effect of configuration entropy of the C atoms and the vacancies, whereas in the lower temperature region the free energy is minimized almost at the stoichiometric composition. The same technique was applied to the ferrite and austenite phases, and the free energies in the compositional range including the metastable regions were calculated. Calculation of the Fe-C binary phase diagram is also attempted. The same approach was applied to other phases in the binary system.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Fe-C二元系状態図は鋼の基本系であることから,これまでにもきわめて多くの研究が報告されている.しかし,この二元系は唯一の複平衡状態図として表現されていることからもわかるように,セメンタイトと黒鉛の相対的な熱力学的安定性や低温時効におけるC原子のクラスタリング,準安定炭化物の形成など,この合金系に関わる多くの未解明の問題が残されている.本研究では,人為的なパラメータを必要としない第一原理的手法によって,この状態図に隠された課題に挑戦したものであり,学術的な重要性だけでなく,鉄鋼材料の熱処理などにおける実用性においても重大な意味を持っている.

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2019 2018 2017

All Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Presentation] マルテンサイトの低温焼き戻しにおける準安定炭化物の生成機構の解析2019

    • Author(s)
      大谷 博司,榎木 勝徳
    • Organizer
      日本鉄鋼協会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] マルテンサイトの焼き戻し過程における炭素原子のクラスタリングの検討2018

    • Author(s)
      川崎 浩平,大谷 博司,榎木 勝徳
    • Organizer
      日本金属学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 第一原理計算に基づくBCC-Fe中のi-sクラスターの安定性評価2018

    • Author(s)
      榎木 勝徳, 大谷 博司
    • Organizer
      日本鉄鋼協会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Transition process from BCT martensite to η phase during tempering in Fe-C alloy2018

    • Author(s)
      M. Enoki, H. Ohtani.
    • Organizer
      TMS 2018, Phenix, USA
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fe-C 二元系セメンタイト相の非化学量論性と熱力学的性質2018

    • Author(s)
      川崎 浩平, 大谷 博司, 榎木 勝徳
    • Organizer
      日本金属学会 2018 年春期(第 162 回)講演大会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法を用いた Fe-C 二元系液相のギブスエネルギーの計算2017

    • Author(s)
      永田 隼大,榎木 勝徳,大谷 博司
    • Organizer
      日 本 金 属 学 会 2017 年春期(第 160 回)講演大会
    • Place of Presentation
      首都大学東京南大沢キャンパス(東京都八王子市)
    • Year and Date
      2017-03-15
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] クラスター変分法を用いた Fe-C bct マルテンサイトの自由エネルギー計算2017

    • Author(s)
      大澤 洋平,榎木 勝徳,大谷 博司
    • Organizer
      日 本 金 属 学 会 2017 年春期(第 160 回)講演大会
    • Place of Presentation
      首都大学東京南大沢キャンパス(東京都八王子市)
    • Year and Date
      2017-03-15
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] Fe-C2元系状態図から考察される準安定炭化物の遷移過程2017

    • Author(s)
      佐伯成駿・大澤洋平・榎木勝徳・大谷博司
    • Organizer
      日本鉄鋼協会 第 173 回春季講演大会
    • Place of Presentation
      首都大学東京南大沢キャンパス(東京都八王子市)
    • Year and Date
      2017-03-15
    • Related Report
      2016 Research-status Report

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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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