[发明专利]一种碳和渗碳体夹杂对轴承钢微观损伤的评估方法及装置

说明书

本发明公开一种碳和渗碳体夹杂对轴承钢微观损伤的评估方法及装置，方法为构建铁基体分子动力学模型和碳原子所有可能存在的位置坐标矩阵；设置碳原子个数；随机生成碳原子坐标并筛选；融合筛选后的碳原子坐标与铁基体模型坐标得到含碳原子夹杂的轴承钢基体模型；预留渗碳体夹杂块位置；构建确定尺寸的渗碳体夹杂块模型；耦合含碳原子夹杂的轴承钢基体模型和渗碳体夹杂块模型；在耦合模型后进行结构驰豫，模拟轴承钢交变剪切应力状态下缺陷的演化过程得到可能的损伤机理，考虑到碳原子在铁基体中稳定存在的坐标形式，解决了碳原子间隙插入铁基体、渗碳体与铁基体共存的建模问题，基于所述模型能更加准确、快速地分析轴承钢的微观特性。

技术领域

本发明属于计算机模拟材料微观损伤技术领域，具体涉及一种碳和渗碳体夹杂对轴承钢微观损伤的评估方法及装置。

背景技术

轴承被称为“工业的关节”，具有承载能力强，能量消耗低等特点，被广泛应用在运载、国防等领域重大装备中。然而轴承类零件由于工作环境较为恶劣，在工作一段时间后难免会出现如滚动接触疲劳等形式的损伤，而通过宏观受力分析并不能准确的对轴承钢损伤状态进行评估，这就需要从轴承钢材料的微观角度对损伤位置和损伤机理进行研究，而准确快速地建立微观模型对研究材料的损伤行为至关重要。

目前对轴承钢材料的微观损伤机理进行仿真分析以分子动力学方法为主，分子动力学是一种以牛顿力学知识为基础，并结合计算机相关软件来分析原子运动规律的方法，能够研究原子间的相互作用，并结合不同的工作状态和材料基体对不同的问题进行研究。而目前利用分子动力学进行的与轴承钢材料相关的研究多直接采用纯铁模型，而实际的轴承钢材料中含有一定的碳原子，且难免会存在渗碳体等夹杂，直接采用纯铁基体模型进行研究与实际材料条件相差较大。通过材料学、晶体学理论和能量最低准则可知，轴承钢的马氏体结构中碳原子较稳定的存在于体心立方铁基体的八面体间隙中，且碳原子之间趋向于相互远离，轴承钢中的渗碳体多为复杂的斜方晶体结构。在铁碳分子动力学建模研究中，国内外学者研究的主要内容包括：

闻鹏，等在2015论文《C原子对Fe-C合金拉伸性能影响的分子动力学分析》中提到在金属铁中掺杂碳原子的位置位于晶格八面体间隙，但并未说明碳原子插入的建模步骤，且该模型未考虑碳原子可能超出模型边界，碳原子之间的距离可能过近的情况。

Hoang-Thien Luu等在2019年出版的论文《Pressure-induced phasetransformations in Fe-C:Molecular dynamics approach》中碳原子随机插入的方法是在模型基体中随机插入碳原子并判断碳原子与铁原子之间的距离，当距离小于0.6nm时删除碳原子，但该方法并未直接将碳原子置于较稳定的晶格八面体间隙中，而是通过高温驰豫的方法来实现，计算效率较低。

韩悌信等在2016年出版的论文《管道钢微观变形失效机理的分子动力学研究》中提到了渗碳体的分子动力学建模方法，给出了渗碳体单胞中各原子的位置，并利用Material Studio软件对渗碳体晶胞进行了建模，但未提及如何将建立的渗碳体模型变为分子动力学计算软件的可读取文件。

针对轴承钢微观损伤进行的分子动力学研究，目前采用的加载方式多为单轴拉伸，离真实的滚动接触疲劳损伤机理还有距离。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳和渗碳体夹杂对轴承钢微观损伤的评估方法及装置，能够快速正确地生成一定数量的碳原子和一定体积的渗碳体夹杂块，并保证这些碳原子随机分布于体心立方铁基体八面体间隙中，用于研究轴承钢滚动接触疲劳微观损伤机理，本发明能够研究轴承钢模型承受交变剪切应力作用时，铁素体和渗碳体界面缺陷的生成与演化过程。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种碳和渗碳体夹杂对轴承钢微观损伤的评估方法，包括以下步骤：

S1，构建具有确定尺寸和确定晶向的体心立方铁基体模型，得到模型基体坐标矩阵；