[发明专利]用于预测材料结构的方法和系统

说明书

(对相关申请的交叉引用)

本申请基于在2012年8月31日提交的日本专利申请No.2012-192525并要求其优先权，在此通过引用引入其全部内容。

技术领域

这里描述的实施例一般涉及用于预测材料结构的预测方法和预测系统。

背景技术

一般地，铁和钢材(钢材料)被应用于各种应用中，这些应用例如为诸如车辆和船只的运输机和诸如建筑物和桥梁的建筑结构。已出现进一步提高诸如钢材的强度、可成形性或可焊接性的材料质量特性的要求。这不仅适用于钢材，而且适用于所有材料。还已知材料的材料质量特性与微观材料结构具有紧密的关系。例如，诸如钢的金相结构的晶粒尺寸与应力特性之间的关系被称为Hall-Patch法则。随着金相结构变细，钢材的强度增加。钢材的微观结构由在制造工艺过程中的热处理(例如，冷却、加热或等温处理)中的从固相到液相的晶体结构变化来确定。因此，可通过热处理通过结构控制来提高钢材的材料质量特性。

典型的钢制造工艺是热轧。在热轧过程中，加热的钢材通过轧辊(roll)变形并且被加工成板材等。在制造工艺中，能够通过操作处理和温度条件通过控制相变的产生以及随后控制晶体的晶粒生长以各种方式来改变钢材的金相结构。由此，能够单独地制造具有匹配应用的材料质量特性的钢材。因此，为了设定适于希望的钢材的热轧条件，掌握例如冷却或轧制的工艺条件与材料结构之间的关系是十分重要的。

制造工艺与材料结构之间的这些关系作为半经验数据被积累。为了搜索适当的工艺条件，通过重复试验轧制(实验轧制)通过缩窄来确定最佳的条件。不幸的是，该重复试验制造的方法需要较高的成本和大量的劳动，因此，从产品开发的观点来看是效率低下的。因此，近年来，使用计算机模拟的材料结构预测技术被视为提高处理效率并降低产品开发成本的重要技术。

一般地，钢材的金相结构的空间尺度、磁性材料和电介质材料的内部微观结构和聚合物的相分离为约几微米到几十微米。该尺度充分地比原子的微观尺寸大，但充分地比可见的宏观尺寸小。这样的既不是微观也不是宏观的尺度常被称为中尺度(中间尺度)。因此，假定中尺度预测技术可有效地预测这些材料的金相结构的行为。

但是，在中尺度上，没有确信有效的技术是已知的。这种背景具有以下的原因。由于中尺度上的原子的数量远大于微观尺度上的原子的数量，因此，从计算成本的观点看，使用第一原理计算等的方法是十分困难的。另一方面，宏观方法基本上不适于作为更微观尺度的中尺度的各种现象。

因此，近年来，提出了通过诸如Monte Carlo方法和元胞自动机(cellular automation)的各种方法实现材料结构预测技术的方法。这些方法中的一种是多相场(MPF)方法。

MPF方法是将表征相状态的序参数引入各相并且通过基于热力学函数的数值计算来模拟出现相变时的结构的时间演化的方法。MPF方法可基于总自由能的最小化在动力学上预测结构形成过程。MPF方法被应用于各种领域。例子是凝固、旋节分解(spinodal decomposition)、奥氏体/铁素体转变和马氏体转变。

MPF方法的优点在于能够通过与CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)方法的计算方法协作直接使用符合相图的吉布斯自由能。因此，MPF方法可模拟符合相图的结构形成过程。并且，实时步骤蕴涵在Monte Carlo方法和元胞自动机中是困难的。相反，MPF方法中的模拟的时间步骤与实时自身对应。并且，由于MPF方法能够进行包含界面生长时的曲率的影响(即，Gibbs-Thomson效应)的计算，因此它是优异的方法。

如上所述，MPF方法是非常通用的材料结构预测技术。MPF方法也是包括由实验确定的参数的现象学(phenomenology)。因此，MPF方法可通过适当地使用现有物质的物理性能值执行动力学上能量上的定量模拟。作为实际的例子，MPF方法在预测符合相图的合金的相分离的微观结构时是极其强大的。

附图说明

图1是表示由根据实施例的材料结构预测装置执行的钢材预测方法的过程的流程图；

图2是钢的低碳部分的平衡状态图；

图3是表示根据实施例的作为材料结构预测装置的目标材料的母相(parent phase)中的晶粒的简化示图；

图4是表示向作为根据实施例的材料结构预测装置的目标材料的母相中的晶粒分配序参数的方法的示图；

图5是表示由根据实施例的材料结构预测装置模拟的母相的简化示图；