[发明专利]基于分子动力学的铸造高铬合金的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于合金材料结构设计领域，涉及一种基于分子动力学方法高铬合金的建模方法。

背景技术

随着航空航天、设备制造业、核工程等的迅猛发展，对材料的性能要求也越来越高，合金材料具有较高的强度、硬度，特别是耐高温、耐磨、耐腐蚀性能较纯金属来说具有相当大的优势，且合金材料能够按照要求改变材料的配比、生成条件得到不同性能的合金，所以越来越多的合金材料被应用于高精尖的产品中。高铬合金材料是核主泵推力轴瓦的常用材料，核主泵推力轴瓦由于长时间受到冲刷腐蚀的影响，故对材料的耐磨性和抗腐蚀性要求较高，且核工业本身对零部件的要求是要具有良好的表面完整性，以及更高的综合质量。分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation)以其突出的方便于对所研究材料静态、动态结果分析的优势，应用于建立被加工材料、刀具等模型的建立，以及对切削加工过程的相互运动、应力、应变、加工过程的温度、产生的热以及温度场的分布、材料内部结构变化以及产生的晶格变形和缺陷等方面的研究，应用前景广泛，受到越来越多的研究者们的重视。

目前，国内对这种铸造高铬合金的研究主要集中在以实验为基础的合金性能及加工方法的研究上，成本花费较大、所需时间周期较长，并难以得出实验的微观作用机理对宏观性能的影响。所以需要利用分子动力学模拟仿真技术，通过计算机建立模型、算法，实现对材料微观结构与作用机理的研究。Jae-Hyeok Shim等发表的《Atomistic modeling of nanosized Cr precipitate contribution to hardening in an Fe–Cr alloy》一文在《Journal of Nuclear Materials》杂志的2009年第386-388卷，第56-59页，用刃型位错与纳米析出相之间的相互作用的方法研究了高Cr合金钢的α相的强化效应，没有合理考虑和建立Cr等元素置换形成的置换固溶体的合金模型，不能完整地体现合金的结构特征，为以后的研究设置了障碍。因此，仿真的分析结果难与实际吻合。

发明内容

本发明的目的在于解决对新型高铬合金自身性能以及加工过程中对机理研究的理论模型空缺的问题，提供一种基于分子动力学方法的铸造高铬合金的建模方法，建立这种铸造高铬合金的理论模型。保证合金模型组织元素位置分布的均匀性、准确性和建模模拟过程中的可靠性。

本发明采取如下技术方案是一种基于分子动力学方法的铸造高铬合金的建模方法，其特征在于，利用分子动力学建模软件进行铸造高铬合金的组成结构的建模，所述的铸造高铬合金的建模方法包括以下步骤：

步骤1，获取高铬合金的特征参数，包括合金中元素的种类、各种元素的体积分数、质量分数、各元素的凝固温度以及粒子间距和晶粒大小；

步骤2，基于高铬合金中组织结构的不同存在形式，其微观结构表现为不同的晶体结构；马氏体、铁素体等组织结构微观表现为体心立方的晶体结构，所以构造生长体心立方晶体结构，并对建好的晶粒进行旋转、平移晶粒中心的坐标至原始原点坐标位置，以方便后续的数据处理；

步骤3，合金中包含的奥氏体等组织结构微观表现为面心立方的结构，所以构造生长面心立方晶体结构，同样对生长的面心立方晶粒进行旋转和坐标平移处理，两次旋转的角度应该不同，以模拟更接近实际的晶体排列结构；

步骤4，统计铬的含量分布，编写置换程序，通过置换原子的程序，并对晶格常数的赋值得到铬原子，以铬原子置换模型中的现有原子，形成置换固溶体，置换过程中只置换原子参数不变的原子，已经置换过的原子不再置换；

步骤5，设定算法判据，若满足铬元素在合金中的体积分数和质量分数的要求，则结束原子置换过程，若未满足要求则重复步骤4的置换过程；

步骤6，利用Voronoi算法对以上步骤所构造的多晶模型进行优化处理，取一个多边形区域作为单元区域，对于这个单元区域，使超出单元左边界的模型平移到单元区域的右边，超出单元右边界的模型平移到单元的左边，超出单元上边界的模型平移到单元下边，超出单元下边界的模型平移到单元上边，使上下、左右构成一个循环，使其更符合多晶的晶体结构，以及合金中晶体的排列方式；

步骤7，通过赋值得到合金中其他元素的原子；重复步骤4到步骤6的过程，得到合金中其他所有元素的含量，最终得到铸造高铬合金的理论模型。