一种搪瓷钢板氢渗透过程的数值模拟方法与流程

1.本发明涉及一种搪瓷钢板氢渗透过程的数值模拟方法，属于搪瓷钢质量控制方法技术领域。


背景技术：

2.近年来，搪瓷钢板的应用在国民经济中发挥着举足轻重的作用。搪瓷钢板是指以一种金属坯体为基体，通过涂搪技术在其表面烧制瓷釉而得到的复合材料。由于搪瓷钢板兼具金属固有的成型性强和瓷釉耐腐蚀以及装饰性强等优点。因此，搪瓷钢板目标市场已经由传统生活日用品行业延伸到建筑、冶金和化工设备等领域。不同用途的搪瓷钢板，要求具备不同的综合性能，搪瓷钢板在使用过程中常见的问题主要有鳞爆、瓷釉层裂纹、瓷釉气泡和细孔等缺陷。其中鳞爆是搪瓷制品最普遍和最致命的问题，且发生时间难以预测。
3.鳞爆是指搪瓷制品表面搪瓷层产生大小不等、深度不一半月形剥落，像鱼鳞一样密着在表面的现象。鳞爆缺陷的发生会导致搪瓷制品内部金属基体与外界环境接触，从而使搪瓷制品服役性能降低。为了提高搪瓷钢板的抗鳞爆性能，国内外学者对搪瓷钢板鳞爆机理进行了大量研究。研究发现，搪瓷钢板产生鳞爆现象是由于钢板中析出的氢气压力过大所引起的。搪瓷制品生产过程中，钢板要经历两次产生氢的反应，第一次是在酸洗时产生，第二次则是在搪瓷烧制过程中。酸洗时铁与酸液发生反应，金属被溶解而析出氢，析出的氢气并不全部挥发，而是部分以氢原子状态溶于钢板中。另一方面，搪瓷烧制过程中由于粘土中含有结晶水，所以会发生脱水过程，熔融物中的水一部分被排掉，但由于所含水份排除较慢，必然存在一部分水与铁发生反应，反应所析出的氢一部分挥发掉，另一部分则溶于钢板中。
4.当钢板中溶入大量的氢原子，搪烧时温度较高，氢的溶解度随着温度的升高而不断增加，搪瓷制品冷却后，室温下钢中的氢达到过饱和，那么氢就要向外扩散﹔由于硬化的的瓷层不渗透氢，这样就造成了大量的氢原子在瓷层和钢板之间结合形成氢气。当氢气的压力超过瓷层承受极限时，便会冲破瓷层而产生鳞爆。
5.目前公认的测试搪瓷钢板抗鳞爆性能的方法主要有氢渗透法和涂搪法。涂搪法一般对有鳞爆倾向的底釉使用，然后将涂搪后的钢板在烘箱中加热，通过对比涂搪底釉钢板出现鳞爆缺陷的数量来测试钢板的抗鳞爆性能。氢渗透法一般对钢板进行单面涂搪，在标准的酸溶液、温度和电流密度下用氢对涂搪后的钢板进行阴极充电，统计钢板出现第一个鳞爆的时间就代表了钢板的抗鳞爆性能，所用时间长，说明氢在钢板中的扩散速度较慢，相同工艺下同等时间内进入钢板中的氢原子数量少，即有利于提高搪瓷钢板的抗鳞爆性能。相比于涂搪法，氢渗透法周期短，操作简单，因此得到广泛使用。
6.专利cn102192933a公开了一种冷轧钢板搪瓷鳞爆敏感性的氢渗透测量方法，将试样紧固在两个电解槽之间，并同时在两个电解槽中倒入电解液；测量试样的电位值，待电位值稳定后，对试样进行充氢；计算机记录试样的电位-时间曲线，当电位-时间曲线出现近似平行于横坐标的直线时，停止试验；通过电位-时间曲线获得氢渗透时间并根据氢渗透时间
计算抗搪瓷鳞爆敏感值。
7.在氢渗透实验中，搪瓷钢板中的氢原子存在于金属晶格点阵间隙中，氢原子的扩散就是指处于间隙位置中的氢原子迁移到另一个间隙位置的过程。氢原子在钢板中扩散速度的评判，可以用氢原子在钢板中的穿透时间或扩散系数作为标准。因此，从原子尺度观察搪瓷钢板中氢原子运动过程中微观结构的变化规律，对于提高搪瓷钢板的抗鳞爆性有很大帮助。
8.在实际生产中对搪瓷钢板中氢原子微观运动状态进行试验观察需要耗费大量精力。


技术实现要素：

9.本发明目的是提供一种搪瓷钢板氢渗透过程的数值模拟方法，采取分子动力学模拟方法对不同工艺参数的铁基体中氢原子运动状态进行观察，通过模拟酸洗、涂搪后氢原子附着钢板表面状态下，控制后续升温及冷却过程中的加热温度、保温时间及冷却速率，使得使用状态下搪瓷钢板中氢原子数量产生显著降低，减少鳞爆的出现；对于不同厚度铁基体模型的构建、氢原子运动状态与位置的观察相对简单，实现对搪瓷钢板温度变化过程中微观结构的详细了解，方便模拟操作与工艺预测，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
10.本发明的技术方案是：一种搪瓷钢板氢渗透过程的数值模拟方法，包含以下步骤：（1）将初始模型能量最小化以得到最优结构；（2）将铁/氢模型进行充分弛豫，达到平衡状态；（3）固定体系的温度和压力，研究升温与冷却过程中氢原子在不同厚度铁基体模型中的运动状态。
11.所述步骤（1）中，初始模型能量最小化采用共轭梯度算法。
12.所述步骤（2）中，将铁/氢模型进行充分弛豫，达到平衡状态是在npt系综下进行。
13.所述步骤（3）中，使用nose-hoover方法和berendsen方法对体系的温度和压力进行调节，在等温等压系综下开展模拟；搪瓷钢板氢渗透模拟过程：首先对酸洗及涂搪后表面附着氢原子的钢板进行加热烧制，然后经过保温处理，保温完成后进行冷却，最后完成氢原子在搪瓷钢板中渗透的过程。
14.本发明的有益效果是：采取分子动力学模拟方法对不同工艺参数的铁基体中氢原子运动状态进行观察，通过模拟酸洗、涂搪后氢原子附着钢板表面状态下，控制后续升温及冷却过程中的加热温度、保温时间及冷却速率，使得使用状态下搪瓷钢板中氢原子数量产生显著降低，减少鳞爆的出现；对于不同厚度铁基体模型的构建、氢原子运动状态与位置的观察相对简单，实现对搪瓷钢板温度变化过程中微观结构的详细了解，方便模拟操作与工艺预测。
附图说明
15.图1是本发明本发明初始平衡状态下不同厚度铁/氢模型图。
16.图2是本发明加热保温过程中不同厚度铁/氢模型图。
具体实施方式
17.为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护范围。
18.一种搪瓷钢板氢渗透过程的数值模拟方法，包含以下步骤：（1）将初始模型能量最小化以得到最优结构；（2）将铁/氢模型进行充分弛豫，达到平衡状态；（3）固定体系的温度和压力，研究升温与冷却过程中氢原子在不同厚度铁基体模型中的运动状态。
19.所述步骤（1）中，初始模型能量最小化采用共轭梯度算法。
20.所述步骤（2）中，将铁/氢模型进行充分弛豫，达到平衡状态是在npt系综下进行。
21.所述步骤（3）中，使用nose-hoover方法和berendsen方法对体系的温度和压力进行调节，在等温等压系综下开展模拟；搪瓷钢板氢渗透模拟过程：首先对酸洗及涂搪后表面附着氢原子的钢板进行加热烧制，然后经过保温处理，保温完成后进行冷却，最后完成氢原子在搪瓷钢板中渗透的过程。
22.在实际应用中，以本发明方法模拟氢渗透过程中基体厚度对氢原子在基体中运动状态的影响，其他模拟工艺参数与常规搪瓷钢板生产过程相同，制备得到搪瓷钢板模型。
23.铁/氢模型是由铁层与氢层构造而成。x，y，z三个坐标轴分别沿[100]，[010]，[001]晶向，铁/氢界面与z面平行。原子间相互作用势函数采用嵌入原子势。
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实施例：如图1和图2所示为四种不同铁基体厚度的铁/氢模型，模型总原子数分别约为10万、12.5万、15万和17.5万。将铁/氢模型进行能量最小化，并充分弛豫，达到平衡状态；之后在t=30k、压强p=0gpa下，将模型分别保温60ps，保温完成后进行冷却。模型基体厚度增加，其中氢陷阱的数量随之增加，导致氢原子在铁中的扩散速度降低，从而提高搪瓷钢板的抗鳞爆性能。采用数值模拟方法对于搪瓷钢板在搪烧和冷却过程进行模拟具有很大的应用价值，在工艺研发和改进方面具有极大的参考价值，该模型对于提高搪瓷钢板的抗鳞爆性能有很好的预测和指导作用。