一种轴承钢材料M50合金的多尺度建模计算方法

一种轴承钢材料m50合金的多尺度建模计算方法
技术领域
1.本发明属于轴承钢多尺度模拟领域，具体涉及一种轴承钢材料m50合金的多尺度建模计算方法。


背景技术：

2.航空发动机主轴承工作在高温、高速、乏油、时变冲击载荷环境下，极易出现损伤失效，属于航空发动机中的薄弱环节。从滚动轴承的宏观故障看，有点蚀剥落、打滑蹭伤、摩擦磨损和腐蚀等失效形式，而从材料结构层面看，材料的失效在微观尺度下有原子空位、间隙和置换等点缺陷以及位错等线缺陷；在介观尺度下有晶界、相界和层错等面缺陷，轴承的失效过程涉及到多个尺度下的耦合作用，仅从单一尺度进行模拟或试验分析难以揭示材料的变形及失效机理，因此需要开展多尺度下的分析方法研究，综合考虑多尺度效应的主轴承材料特征，进而揭示轴承典型故障从微观到宏观的演化过程。
3.m50合金是一种高温轴承钢，主要应用于航空发动机轴承，m50钢的基体为α-fe，热处理后的合金中存在残余奥氏体、马氏体几种物相，并且添加了cr、mo、v、ni等元素形成碳化物作为增强相存在，形成的碳化物的形态、颗粒大小、分布的均匀性都对钢的性能、使用寿命等都有着十分重要的影响。目前m50合金的现有研究主要集中在其处理办法、强化手段以及其优化其元素配比几个方向，对其微观尺度及多尺度建模方向展开的研究较少。而对于金属的多尺度研究领域，研究对象多为纯金属或元素种类较少的合金，对于元素种类多、掺杂物相复杂的合金研究较少；研究方法多为基于分子动力学各项理论的仿真模拟计算，实验作为最终验证手段，仿真与实验的结合度较低，对于m50合金并不完全适用；因此，现有的轴承钢材料m50合金的多尺度建模技术有待进一步改进。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种轴承钢材料m50合金的多尺度建模计算方法，在保证建模时效性的情况下，通过试验手段获得m50合金中的元素、物相、晶体结构信息，在模型中加入更多的元素和物相掺杂，提高所得微观结构的准确性和真实性。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种轴承钢材料m50合金的多尺度建模计算方法，包括以下步骤：
6.划定试样观测区域；
7.在所述观测区域对试样进行物相鉴定，获得试样含有的物相种类和空间点阵类型；
8.根据物相种类信息，获取所述观测区域试样的物相分布、尺寸以及取向等信息；
9.对所述观测区域内每种组织进行元素定性定量分析，得到材料介观尺度元素质量配比以及不同物相元素组成；
10.根据物相种类及其元素组成，使用materials studio软件建立每种物相组织的单胞模型，适当扩胞建成单一物相的原子尺度模型；
11.通过介观尺度元素质量配比和不同物相的元素组成建立等式，来求解原子模型中每种物相的数量和铁基体的适当尺寸即fe原子数；
12.根据所求得的物相数量，在铁基体中随机插入几种物相组织，并优化结构，得到轴承钢材料m50合金的微-介观结构模型；
13.基于所述轴承钢材料m50合金的微-介观结构模型在原子尺度上模拟合金的各项性能，并仿真观察合金在热处理以及损伤时在原子尺度上的结构转变过程以及m50合金的损伤机理。
14.所述试样通过以下步骤制备：
15.使用中走丝线切割方法制备材料试样，进行一次淬火和三次回火热处理；
16.对热处理后试样进行预处理，将试样打磨抛光，完成测试前准备。
17.适用显微硬度计或纳米压痕仪完成观测区域划分，先手动使用记号笔圈出观测区域，使用记号笔在试样侧面做出标记，作为试样朝向的定位，然后根据划区精度要求和构建模型需要选择仪器，大区域划分使用显微硬度计设定载荷在试样上完成一次硬度测量，小区域划分使用纳米压痕仪，完成观测区域划分。
18.观测区域试样的物相种类和空间点阵类型鉴定采用xrd方法获取。
19.划定区域试样的物相分布、尺寸以及取向等信息采用ebsd方法获取。
20.划定区域内的介观尺度元素质量配比和每种物相的元素定性定量分析采用epma方法获取。
21.在materials studio软件建立每种组织的单胞模型时，其中，fe-c、fe-mo、mo-cr、v-mo原子之间的相互作用力均用其对应的meam势函数描述，fe-cr原子之间的相互作用力用cdeam势函数描述，fe-v原子之间的相互作用力用eam/fs势函数描述，c元素与cr、mo、v元素和cr-v元素之间均采用lj/cut势函数进行描述，lj/cut势函数的参数均由通用力场下拟合得来。
22.获得每种物相数量的同时获得材料微-介观结构模型的铁基体尺寸，同时能够保证m50合金组成元素的质量配比。
23.在铁基体中根据所得到的物相比例随机插入几种物相组织，并优化结构，得到轴承钢材料m50合金的微-介观结构模型，同时保证结构稳定且与实际观测到的组织一致。
24.进一步的，观测区域划定采用显微硬度计和纳米压痕仪，大区域划定采用显微硬度计，使用恰当载荷在试样中心或四角完成硬度测量，直接由凹痕确定观测区域或由四角凹痕完成观测区域划定；小区域划定采用纳米压痕仪，在大区域划分基础上进行更精细地划分，便于选择物相观察。
25.进一步的，采用电子探针显微分析仪可以对划定区域内每种物相进行元素定性定量分析，直接获得奥氏体、马氏体的元素组成，结合文献确定各类碳化物的种类。
26.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
27.本发明在保证建模时效性的情况下，通过实验手段获得m50合金中的元素、物相、晶体结构信息，在模型中加入更多的元素和物相掺杂，提高所得微观结构的准确性和真实性；实现了m50合金在微-介观尺度上的模型建立，在原子尺度上实现了多物相的掺杂，同时又可以模拟合金在介观尺度上的各项性能，初步实现了多相合金m50的多尺度建模。
附图说明
28.图1为本发明对轴承钢材料m50合金多尺度建模的流程示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明进行详细阐述。
30.参考图1，一种轴承钢材料m50的多尺度建模计算方法，属于合金多尺度建模领域；所述多尺度建模方法包括以下步骤：
31.步骤一：对m50合金棒料进行试验样品制备，完成热处理；
32.步骤二：将热处理后试样进行预处理，完成试验测试前准备；具体通过以下步骤实现：使用180#，400#，600#，800#，1000#，1500#和2000#的砂纸将m50合金试样表面进行逐级打磨，使用丝绒配w7金刚石抛光剂完成粗抛光，使用呢绒配w3.5金刚石抛光剂精抛光，保证表面粗糙度ra≤0.1μm，之后依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，超声清洗时间均为10min，吹干。
33.步骤三：使用显微硬度计或纳米压痕仪对试样进行观测区域划定；具体通过以下步骤实现：先用记号笔在试样表面中心圈出计划观测区域，在侧面划线作为试样朝向定位。随后用镊子将试样放于工作台上并调整至测量位置，使用40x物镜，转动升降手轮使得在目镜中可以观察到清晰的试样表面，转动调节手轮使得测微计零线对齐。选择载荷0.49n，加载时间30s，测量hk硬度，测量前clear测微计清零，按下开始按钮，转动台自动切换至压头，完成硬度测试。卸载后，转动台自动切换至物镜，微调手轮，在目镜中确认压痕清晰完整，观测区域划定完成。
34.步骤四：使用x射线衍射技术(x-ray diffraction，xrd)对材料试样进行物相鉴定(马氏体、残余奥氏体、碳化物等)，获得材料试样的物相信息；使用bruker d8 advance型多晶衍射仪。采用cu-kα辐射，全自动弯(平)晶石墨单色器，管电压35kv，管电流200ma，扫描步长0.02
°
，扫描速度1
°
/min，测量2θ角度范围0～-90
°
。
35.步骤五：使用电子背散射衍射技术(electron backscattered diffraction，ebsd)获得划定区域试样的物相分布、尺寸以及取向等信息；使用蔡司场发射扫描电镜geminisem 500和oxford公司的ebsd设备，具体通过以下步骤实现：戴一次性手套，按标记朝向将试样装台，用导电胶带将试样固定在样品台上，将样品台放于观察室，合上封闭门。按观察室真空键，抽真空过程2分30秒，达到要求时，真空指示灯绿，可以进行试验。首先使用sem观察，寻找显微硬度计标记点，拍摄出其在记号笔圈出区域的空间位置以方便后续试验寻找。根据xrd获得的物相种类对m50合金的物相组织进行寻找，确定第二相形状、尺寸、数量及取向信息。
36.步骤六：使用电子探针显微分析仪(electron probe micro-analyzer，epma)对划定区域内每种物相进行元素定性定量分析，面扫获得试样介观尺度元素质量配比，点扫直接获得奥氏体、马氏体的元素组成，同时结合文献确定各类碳化物的种类和元素组成；
37.步骤七：使用materials studio软件建立每种物相的单胞模型；通过ebsd、epma获得m50合金的物相种类和元素组成，结合xrd获得物相空间点阵类型，使用materials studio软件建立每种物相的单胞模型，适当扩胞建成单一物相的原子尺度模型；
38.步骤八：通过介观尺度元素组成比例和不同物相的元素组成建立等式求得合金中
每种物相的数量和m50合金微观建模适当尺寸即fe原子数值；
39.步骤九：在铁基体中根据所得到的物相数据比例随机插入几种物相组织，得到轴承钢材料m50合金的微-介观结构模型。
40.步骤十：本发明所建立的轴承钢材料m50合金的微-介观结构模型，实现了在原子尺度上掺杂不同物相的介观结构模型建立，进一步可以在lammps中模拟合金在介观尺度上的各项性能，仿真观察合金在热处理以及损伤时在原子尺度上的结构转变过程，研究m50合金的损伤机理，为主轴承故障检测研究提供理论支持。其中，fe-c、fe-mo、mo-cr、v-mo原子之间的相互作用力均用其对应的meam势函数描述，fe-cr原子之间的相互作用力用cdeam势函数描述，fe-v原子之间的相互作用力用eam/fs势函数描述，c元素与cr、mo、v元素和cr-v元素之间均采用lj/cut势函数进行描述，lj/cut势函数的参数均由通用力场下拟合得来。