一种用于含铜铸铁成分与组织性能关系的计算方法与流程

本发明涉及一种用于含铜铸铁成分与组织性能关系的计算方法，属于计算材料科学。

背景技术：

1、在计算材料科学领域进行合金成分设计和铸造性能评估时，常见做法是基于各相成分均匀的平衡热力学假设计算相图，或者根据宏观化学成分建立经验回归模型，分析材料成分与力学强度之间的关系，并据此在稳态条件下判断基体的固溶强化以及相变、沉淀状态，对于含铜铸铁，其组织在冷却过程中会经历多个阶段的相变，由于铸件不同部位的截面壁厚不同，各位置的局部冷却速率会存在较大差异，铜元素在凝固过程中会在共晶团内部发生非平衡再分配，使共晶团内部形成铜浓度梯度，这种浓度差异一方面会改变不同位置的局域平衡共析转变温度，另一方面会影响相界面的迁移阻力，使珠光体片层间距在空间上出现差异，此外，共析相变结束后，铸件仍处于连续降温过程中，过饱和固溶体内富铜相的形核和长大时间会受到限制，残余固溶铜与析出相铜之间的分配比例也会随局域相变过冷度发生变化，原有的准稳态计算模型无法对该过程进行准确计算。

2、虽然现有技术中已出现针对多组元合金凝固微观偏析的数值模拟计算方法，例如，公开号为cn101329290a的中国发明专利申请公开了一种预测多组元合金凝固过程不同组元偏析分布的方法，利用溶质扩散控制模型计算凝固过程中的组元浓度场；但该方法仅用于液固凝固结晶阶段的溶质再分配，未将凝固结束时即告终止，既未能将凝固偏析场延伸至固态相变阶段以计入偏析溶质对相界迁移的界面拖拽阻力，未引入连续非等温降温对纳米富铜相析出长大动力学的时序截留限制，且未建立微观组织向宏观力学本构的对应关系。

3、因此，如何建立能够随冷却过程同时考虑共晶团微观溶质偏析分布、相界面迁移拖拽阻力以及连续降温对析出时间限制的物理计算框架，准确计算复杂截面冷却过程中含铜铸铁的微观组织特征和力学强度，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种用于含铜铸铁成分与组织性能关系的计算方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，获取含铜铸铁的初始元素含量、局部冷却速率以及石墨形态几何因子；

3、步骤s2，根据初始元素含量与局部冷却速率建立非平衡凝固微观偏析模型，计算共晶团的径向固相铜溶质浓度分布与径向固相硅溶质浓度分布；

4、步骤s3，基于径向固相铜溶质浓度分布与径向固相硅溶质浓度分布确定局域平衡共析转变温度，结合局部冷却速率与界面拖拽阻力因子计算局域相变过冷度、局域珠光体片层间距分布与全共晶团珠光体体积分数；

5、步骤s4，依据局部冷却速率与铁素体中铜元素的过饱和度解算富铜相析出过程，得出析出相体积分数、析出相平均半径及残余固溶铜浓度分布；

6、步骤s5，根据局域珠光体片层间距分布、残余固溶铜浓度分布、析出相体积分数与析出相平均半径计算珠光体片层细化强化增量、固溶强化增量与沉淀强化增量，将珠光体片层细化强化增量与固溶强化增量融入局域基体屈服抗力并计算径向体积加权积分，将该积分结果与沉淀强化增量相加后乘以由石墨形态几何因子确定的折减系数，输出宏观屈服强度。

7、优选的，步骤s2包括：步骤s21，依据局部冷却速率与预设的共晶团生长特征常数计算共晶团平均半径；步骤s22，将共晶团沿径向离散为以无量纲位置分量表征的一维同心球壳微元序列；步骤s23，依据高温固相中铜的固态扩散系数、凝固结晶特征时间与共晶团平均半径计算固相反扩散傅里叶数，结合铜元素在固液界面处的平衡分配系数与固相反扩散傅里叶数，生成径向固相铜溶质浓度分布。

8、优选的，步骤s3包括：步骤s31，将纯二元铁碳合金共析温度基准、由局域固相硅溶质浓度决定的共析温度提升项、由局域固相铜溶质浓度决定的共析温度降低项以及由初始锰含量决定的共析温度降低项相加，求和得到局域平衡共析转变温度；步骤s32，结合局域平衡共析转变温度、局部冷却速率的平方根项以及由局域固相铜溶质浓度加权的界面拖拽阻力因子，计算实际转变温度；步骤s33，将局域平衡共析转变温度与实际转变温度相减，将差值确定为局域相变过冷度。

9、优选的，步骤s3还包括：步骤s34，将预设的珠光体片层生长动力学常数除以局域相变过冷度，计算生成局域珠光体片层间距分布；步骤s35，在全径向微元域内对包含局域相变过冷度与局域平衡共析转变温度的动力学校正项计算全域指数积分，求得全共晶团珠光体体积分数。

10、优选的，步骤s4包括：步骤s41，依据铜在铁素体中的固溶焓变与热力学温度建立铜元素固溶度极限随温度下降的指数收缩关系；步骤s42，获取与局部冷却速率呈负相关衰减的沉淀相动力学转变截留效率系数，在预设的溶质原子扩散冻结截止温度下，对超出固溶度极限的过饱和铜浓度在共晶团全域求解积分，得到析出相体积分数；步骤s43，由预设的析出动力学峰值温度、溶质原子扩散冻结截止温度以及局部冷却速率计算析出相平均半径；步骤s44，由径向固相铜溶质浓度分布减去沉淀相析出消耗量，确定残余固溶铜浓度分布。

11、优选的，步骤s5中计算沉淀强化增量包括：步骤s51，将预设的铁基体剪切模量、burgers矢量模长、taylor取向因子、基体泊松比、析出相平均半径以及析出相体积分数代入位错绕过方程计算得出沉淀强化增量。

12、优选的，步骤s5中计算径向体积加权积分包括：步骤s52，将局域基体屈服抗力在共晶团全域求解一维球坐标径向体积积分，得到基体宏观屈服抗力均值，将基体宏观屈服抗力均值作为径向体积加权积分的积分结果。

13、优选的，步骤s5中折减系数的确定过程包括：步骤s53，基于铸铁石墨微观形态在预设的离散数值中选取石墨形态几何因子；步骤s54，对于球状石墨铸铁将折减系数界定为0.82，对于蠕虫状石墨铸铁将折减系数界定为0.58，对于片状灰铸铁将折减系数界定为0.35。

14、优选的，还包括以下步骤：步骤s6，将宏观屈服强度与预设的抗拉屈服比相乘计算确定含铜铸铁宏观抗拉强度；步骤s7，将含铜铸铁宏观抗拉强度乘以预设的硬度比例系数并与预设的硬度基准偏置常数相加计算确定含铜铸铁布氏硬度。

15、相比于现有技术，本发明的有益效果是：

16、1、在含铜铸铁成分与组织性能关系中，通过在共晶团尺度考虑高温固相扩散对溶质再分配的影响，使初始元素含量能够随局部冷却速率转换为径向变化的溶质浓度分布，并进一步用于共析转变计算，由此可避免将合金元素按全域均匀分布处理所造成的相变驱动力计算偏差，使局域相变过冷度和局域珠光体片层间距分布能够反映不同壁厚位置实际冷却过程中的变化，为连续降温条件下共晶团内部组织差异的计算提供更符合实际的空间浓度依据。

17、2、通过在奥氏体向珠光体转变过程中考虑铜溶质产生的界面拖拽阻力因子，使不同径向位置的局域相变过冷度及珠光体生长状态能够随铜浓度和冷却条件连续变化，这样可以避免等温稳态计算忽略相界迁移阻力所带来的偏差，使局域珠光体片层间距分布和全共晶团珠光体体积分数更真实地反映非等温连续冷却过程中珠光体组织的形成情况，提高不同冷却条件下珠光体组织计算的准确性。

18、3、通过在富铜相析出计算中考虑局部冷却速率对形核、长大和原子扩散时间的限制，使残余固溶铜浓度分布、析出相体积分数和析出相平均半径能够随实际降温过程进行计算，而不再将固溶铜与析出相铜简单视为静态平衡状态，由此可以更准确地区分不同冷却条件下铜元素保留在铁素体中的比例和形成富铜相的比例，从而反映固溶强化与沉淀强化随冷却速率发生的变化，便于计算不同壁厚条件下两类强化作用的实际贡献。