Эффективное повышение качества отливок, без применения компьютерных методов анализа процесса формирования структуры изделий, является весьма трудоемким и малоэффективным.

Известные компьютерные программы позволяют решать частные задачи и, в основном, только констатируют эффективность влияния исходных факторов в конкретных условиях производства, но не дают возможность понять механизм их влияния, поскольку построение моделей основано на применении принципа «черного ящика». Это приводит к тому, что не достигается оптимальное соотношение расхода материальных ресурсов и уровня реализации потенциальных возможностей металлических материалов.

На основании комплексных аналитических и экспериментальных исследований влияния химического состава на процессы кристаллизации из жидкого состояния и перекристаллизации в твердом установлены основные термодинамические, физико-химические и фазовые параметры, определяющие формирование структуры и свойств литых конструкционных сталей, содержащих до 0,4% масс. доли углерода, до 3% кремния, марганца и хрома, до 0,035% азота, до 0,3% ванадия.

Установлены количественные зависимости влияния физико-химических свойств жидкого металла и параметров кристаллизации на характеристики дендритной структуры отливок.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что конечная дендритная химическая неоднородность элементов в отливках из низко- и среднелегированных сталей в литом состоянии металла определяется такими параметрами процесса, как термодинамическая активность и эффективный коэффициент распределения элементов при температуре солидуса, а также расстоянием между ветвями второго порядка дендритов.

Установлено, что кинетика выделения вторичных фаз из пересыщенного твердого раствора контролируется термодинамической активностью, диффузионной подвижностью и растворимостью компонентов, образующих вторичную фазу, а также степенью отклонения системы от состояния равновесия, где за состояние равновесия принимается температура равновесия вторичных фаз с твердым раствором.

В результате исследования процессов феррито-перлитного, мартенситного и бейнитного превращений установлено, что неравновесные критические точки определяются температурой равновесия аустенита и феррита, содержанием в них вторичных фаз, диффузионной подвижностью углерода в аустените, степенью его легирования, размером зерна аустенита и в случае диффузионных превращений скоростью нагрева и охлаждения.

Дисперсность феррито-перлитной, мартенситной и бейнитной структур определяется размером зерна аустенита и термокинетическими параметрами фазовых превращений, а дисперсность и однородность распределения карбидной и нитридванадиевой фаз после улучшения – пределом растворимости и диффузионной подвижностью углерода и азота в феррите, а в случае присутствия в аустените вторичной фазы более 0,04% масс. доли – ее количеством.

Установленные количественные закономерности дают возможность комплексно оценивать и целенаправленно управлять процессом формирования структуры сталей и являются теоретической основой компьютерного металловедения конструкционных сталей.