基于分子动力学的铸造高铬合金的建模方法

摘要

本发明基于分子动力学的铸造高铬合金的建模方法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。建模方法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，先获取铸造高铬合金的特征参数，构造体心立方晶体结构的原子模型、构造面心立方晶体结构的原子模型；再通过置换程序，以铬原子置换出模型中的现有原子；然后判断置换元素的含量，如不满足含量要求，继续置换，直到铬元素满足合金中的要求；最后利用Voronoi算法对所构成的模型进行优化，直到满足合金中所有元素的含量要求。该建模方法能准确反映合金的微观组织成分和结构，对研究合金的性质和加工方法具有现实意义。

权利要求

1.一种基于分子动力学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，获取新型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，面心立方的晶格先旋转一个β角，再旋转α角，这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；

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种类,将步骤4中的铁原子换成其他 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。

说明书

基于分子动力学的铸造高铬合金的建模方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 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：

[0006] 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；

[0007] 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；

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 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；

[0011] 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；

[0012] 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。

[0013] 本发明的有益效果是本发明的构建高铬合金的微观结构模型的方法，能够准确生成真实合金中各元素的含量及空间排布方式，对研究该合金的自身性能和加工方法以及对加工中的切削力、温度场的分布、材料的结构变化都具有现实意义。

附图说明

[0014] 图1：本发明建立铸造高铬合金模型方法的流程图；

[0015] 图2：建立的合金多晶结构图；

[0016] 图3：晶粒优化处理示意图。具体实施方案

[0017] 下面结合技术方案和附图的详细说明本发明的具体实施。

[0018] 图1是本发明建立铸造高铬合金模型方法的流程图，首先获取铸造高铬合金模型的特征参数：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、晶粒大小和晶粒的分布情况。其中，元素种类包括钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、硅(Si)、硫(S)。在进行分子动力学仿真过程中，工件和刀具模型是按照原子的组成规律来排列的。

[0019] 在步骤2和步骤3中，由于铸造高铬合金中组织结构存在不同的形式，有马氏体、奥氏体、铁素体，这些不同的组织形式其微观结构表现为不同的晶体结构。其中马氏体、铁素体等组织结构微观表现为体心立方的晶体结构，奥氏体微观结构表现为面心立方的晶体结构，所以利用Fortran语言构造生长体心立方晶体结构，再构造面心立方的晶体结构，实际的合金结构中不同的晶粒具有不同的晶向，所以对建好的晶粒模型进行旋转来构造不同晶向的晶格结构。体心立方的晶格旋转α角，面心立方的晶格先旋转一个β角，再旋转α角。分子动力学中每个原子都是由空间坐标表示的，确定了坐标也就确定了原子位置，把晶粒形心的坐标平移至原始原点坐标位置，方便后续的数据处理。

[0020] 高铬合金具有优良的耐磨性、硬度，由于合金中存在较多的铬碳化合物和铬固溶在奥氏体、马氏体及其转变的产物。铁原子的原子半径是126pm，铬原子的原子半径是128pm，可以满足置换固溶的条件，实际上铁与铬两元素是无限固溶的。所以在步骤4中，统计铬(Cr)的含量分布，编写置换程序，通过赋值得到铬原子，用铬原子随机置换模型中现有原子，置换过程中只置换原子参数不变的原子，置换过的原子就不再被置换。铬原子的原子半径比铁原子的原子半径大，置换后产生正晶格畸变，内能增高，阻碍位错滑移，使材料的强度、耐磨性增强。

[0021] 设定算法判据，根据统计的铬元素在合金中的含量，编写程序判断是否满足要求，若满足则停止置换，若不满足则继续重复步骤4过程置换，直到满足要求为止。图2表示出建立的合金多晶结构图。

[0022] 编写Voronoi算法程序，对步骤2到步骤5构建的模型进行优化处理。如图3所示，选取一个区域作为单元区域，在这个单元区域内随机选取n个点作为晶核，将这个单元区域扩展成9个相同的区域，对单元区域内的某个点与它相邻最近的其他点进行计算，并构造Voronoi多边形，由于这n个点是随机选取的，所以多边形的形状也是随机的，这是符合实际情况的。由于其他区域都是由单元区域扩展得到的，n个点的位置相同，对于处在单元区域外面的晶体部分，分割区域对其进行平移，即处在上边界面外的平移至下边界面内，下边界面外的平移至上边界面内，左边界面外的平移至右边界面内，有边界面外的平移至左边界面内，上下左右为一个循环，截取这个单元区域就是我们想要得到置换铬元素后的晶体微观结构模型，见图3。

[0023] 按照步骤4到步骤6的过程对合金中其他元素：钼、铜、镍、钒、硅、硫置换模型中的铁元素，达到最后新型高铬合金的元素含量要求。建立铸造高铬合金的理论模型。

[0024] 本发明提出的构建铸造高铬合金的微观结构模型的方法，能够准确生成真实合金中各元素的含量及空间排布方式，对研究该合金的自身性能和加工方法以及对加工中的切削力、温度场的分布、材料的结构变化都具有现实意义。