[发明专利]一种金属材料热处理过程中的奥氏体化测定方法

说明书

本发明涉及一种金属材料热处理过程中的奥氏体化测定方法，属于多场耦合数值模拟技术领域，用以解决现有数值模拟无法获取高温阶段材料热物性实验数据和未考虑改变材料成分时相变及热物性参数差异对多场耦合计算结果的影响技术问题。该方法包括如下步骤：S1.针对金属材料的成分和温度建立获取材料的相变和热物性参数的方法；S2.建立温度场‑应力场的热力耦合计算或传热计算的有限元模型；S3.计算金属材料的温度场或热应力；S4.获取金属材料的温度场和热应力随时间变化的分布情况；S5.获取金属材料热处理过程中的奥氏体化测定结果。该方法考虑了成分对热物性参数以及相变应力的影响，能够精准计算相变对温度场、残余应力的影响，用于优化不同材料的热处理工艺。

技术领域

本发明涉及多场耦合数值模拟技术领域，尤其涉及一种金属材料热处理过程中的奥氏体化测定方法。

背景技术

在材料设计和工程设计等领域，计算、模拟等技术一直被广泛应用，例如第一性原理计算、热动力学计算、相场模型、通用的有限元等方法。随着材料基因工程项目的推动，高通量计算、高通量实验和数据库三大要素，成为了材料设计、降低材料研发成本和提高材料研发速度的重要方法和手段。基于第一性原理计算等的高通量作业设计及计算方法已经在功能材料的成分-结构-性能等领域获得了一定的成功应用。而对于钢铁等金属材料，由于其成分中合金元素的多样性、微观组织和强化机理的复杂性，单一的模拟计算方法只能在一个点具有指导意义，但是不能全面的描述和解决材料和工艺设计问题，也不能实现材料基因工程的全流程优化设计。而利用宏观-微观-介观的跨尺度材料集成优化计算，建立成分-工艺-组织-性能的关系预测，实现多参数目标优化，是多元、多晶、多相复杂的钢铁等材料研究和设计的新方法和重要方向。

对于数值模拟过程，除了建立恰当的计算模型外，材料参数对于数值模拟计算结果的精准性也有重要的影响。传统的数值模拟过程中，材料的热物性等参数都是通过实验测定或者查找文献后，直接输入数值或者给定与温度的方程函数进行定义的。

一方面，受实验条件限制，常规在手册上可查询到的只有温度不超过相变的材料热物性实验数据，高温阶段由于缺乏实验数据，暂时是通过外推获取。而实际上高温阶段由于相变的发生，会使材料的热物性参数有所变化，如果仅通过低温数据进行外推会影响计算结果的准确性；另一方面，实验值通常没有太考虑改变不同成分时材料的热物性参数差异对多场耦合计算结果的影响。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种金属材料热处理过程中的奥氏体化测定方法，在常规的温度场和应力场计算外可结合相变计算，获得相变信息和热物性参数信息，并用以解决现有数值模拟一方面受实验条件限制，无法获取高温阶段的材料热物性实验数据，另一方面考虑改变材料成分时相变、材料的热物性参数差异对多场耦合计算结果的影响的技术问题。

本发明的一种金属材料热处理过程中的奥氏体化测定方法，包括如下步骤：

S1.基于热力学、相图计算原理，针对金属材料成分和温度建立获取材料相变和热物性参数的方法；

基于系列单点平衡的相变计算以及温度区间的迭代循环计算，通过耦合不同的金属材料热力学数据库包，实现对任何材料体系和成分的相变和热物性参数的计算；

S2.建立温度场-应力场的热力耦合计算或传热计算的有限元模型；

S3.建立连接热动力学计算的温度场和热应力计算子步骤；

针对温度场-应力场的热力耦合计算模型，建立用于有限元计算的热源子步骤和膨胀应力子步骤；通过热源子步骤和膨胀应力子步骤调用S1步骤中的相变温度和热物性参数，使多场热力耦合计算的每一计算步都能随时在线获取温度场和应力场计算所需的热物性参数，进行迭代计算；

热应力的计算公式为：{σ}＝[D]·({ε}-{ε₀})；

其中，σ为应力，ε为应变，ε₀为热应变，D为材料的刚度矩阵；