Effect of Deformation Vacancies on Precipitation-Related Free Energy Changes in Low Alloy Steels

Abstract

The free energy changes associated with the precipitation of second phase particles in low alloy steels were investigated. The analysis includes evaluations of the chemical driving force, elastic strain energy, interfacial energy, and driving force due to deformation-induced vacancies, as well as of the contributions from lattice defects such as dislocations and grain boundaries. It is demonstrated that when steels undergo deformation, excess vacancies are formed even at low strain rates; these exert an additional driving force that shifts the preferred nucleation sites away from grain boundaries to dislocations as the temperature is decreased. It is also shown that the coherency of the particle/matrix interface can be estimated from the elastic strain energy and the chemical driving force. The size of precipitate associated with the coherent-incoherent transition is determined in this way. This is a function of the strain energy, the vacancy-induced driving force and the structural component of the interfacial energy. The theory shows that the carbide interfacial energy is lower than that of the nitride in microalloyed steels. Résumé Les variations d'énergie libre associées à la précipitation de particules de seconde phase ont été étudiées dans les aciers faiblement alliés. Les analyses tiennent compte des évaluations de la force motrice chimique, de l'énergie associée à la déformation élastique, des énergies d'interface, de la force motrice due aux lacunes induites par la déformation, ainsi que des contributions des défauts cristallins tels les dislocations et les joints de grains. Il est démontré que lors de la déformation de l'acier, des lacunes en excès sont formées même à bas taux de déformation; celles-ci exercent une force motrice additionnelle qui détourne les sites de germination préférentiels des joints de grains vers les dislocations, au fur et à mesure que la température décroît. Il est également montré que la cohérence de l'interface particule/matrice peut être estimée à partir de l'énergie de déformation élastique et de la force motrice chimique. La grosseur des précipités associés avec cette transition cohérence-incohérence est alors déterminée de cette facon. C'est une fonction de l'énergie de déformation, de la force motrice induite par les lacunes ainsi que de la composante structurale de l'énergie d'interface. La théorie montre que l'énergie d'interface des carbures est plus faible que celle des nitrures dans les aciers microalliés.