[发明专利]一种多性能耦合寻优的钢材优化方法

说明书

本发明属于钢材设计领域，具体涉及一种多性能耦合寻优的钢材优化方法。所述目标钢材优化方法针对高强度、高韧性和易焊接耐腐蚀钢材料设计，得到一种多性能目标要求下耐腐蚀钢中成分组成元素比例的快速寻优方法。所述优化方法根据服役环境提取目标钢材性能指标和元素的种类；采用多性能耦合模型计算目标钢材各性能；采用目标钢材的成分组成成本模型计算目标钢材的成分组成成本；根据目标钢材各性能和成分组成成本，获取目标钢材各性能和成分组成成本的权系数；获取目标钢材成分组成含量的最大取值范围；采用多目标寻优函数和寻优模型，计算得到基于合理成分组成成本的目标钢材的优化后的化学成分范围、组织参数和预期性能。

技术领域

本发明属于钢材设计领域，具体涉及一种多性能耦合寻优的钢材优化方法。所述目标钢材优化方法针对高强度、高韧性和易焊接耐腐蚀钢材料设计，得到一种多性能目标要求下耐腐蚀钢中成分组成元素比例的快速寻优方法。

背景技术

耐腐蚀钢经常会同时要求材料具备良好的耐腐蚀性能、高的强度、良好的韧性、优异的焊接性能，保证材料服役寿命、结构安全、使用方便。以货车车体耐候钢为例，世界重载铁路行业发展迅速，一方面要求运输重载化和车身轻量化，减少车体自身的重量，进而提高货运运输能力，提高铁路输送效率，并且可以达到节能的目的，因此，需要开发更为优质的材料，例如高强度、高耐磨性、高延展性，以此实现车体轻量化。另一方面，要求延长车辆的耐腐蚀性能，提高车体使用寿命。开发新结构材料时，需要兼顾上述各项性能的组合，这给材料设计带来了难度。然而，现有的耐候钢存在强度不够高，延展性较差，耐腐蚀性能不好，服役寿命较短等不足。为了更好的实现车体轻量化、提高车辆服役寿命，设计开发更强耐腐蚀能力、更高强度和冲击韧性、易焊接的耐蚀钢是十分必要的。

采用传统的材料优化方法，存在诸多困难：成分范围大，难以确定合理的化学成分设计区间，往往需要通过大量的正交试验才能进行优选，材料设计工作量大、设计周期长。材料设计开发中难以兼顾强度、冲击性能、焊接性能和耐蚀性能，尤其是耐复杂介质腐蚀性能。另一难题是，材料设计性能与成分组成成本控制的难题，在服役性能与成分组成成本选择之间，研发者抉择困难。

成分组成化设计是材料设计的重要部分。为改善钢的耐腐蚀性能，需要在钢中添加特定的成分组成元素。各成分组成元素在钢中发挥作用不同，简单分述如下：

C：C是间隙强化元素，对钢的间隙强化作用显著。加在亚共析钢中会使钢中渗碳体析出，增大钢材在腐蚀环境下的微区电位差，对钢的耐腐蚀性能不利。同时C影响钢的焊接性能、冲压性能和冲击韧性等。

Cu：Cu在钢中既是固溶强化元素，在含量较高时会产生析出强化效果。在钢中加入0.2％～0.4％的Cu时，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都具有较普碳钢优越的耐腐蚀性能。Cu能在钢的表面及锈层中的富集，能促使钢阳极钝化，Cu还能在基体与锈层之间形成以Cu、P为主要成分的阻挡层，它与基体结合牢固，因而具有较好的保护作用。另外，Cu有抵消钢中S的有害作用的明显效果，钢中S含量愈高，成分组成元素Cu降低腐蚀速率的相对效果愈显著，一般认为这是由于Cu和S生成难溶的硫化物所致。

P：P是间隙强化元素，但是会降低钢材的低温韧性。P也是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的成分组成元素之一，一般P含量在0.08％～0.15％时耐腐蚀性最佳。当P与Cu联合加入钢中时，显示出更好的复合效应。在大气腐蚀条件下，钢中的P是阳极去极化剂，它在钢中能加速钢的均匀溶解和Fe²⁺的氧化速率，有助于在钢表面形成均匀的α-FeOOH锈层，促进生成非晶态羟基氧化铁FeO_x(OH)_3-2x致密保护膜，从而增大了电阻，成为腐蚀介质进入钢基体的保护屏障，使钢内部免遭大气腐蚀。当P形成PO₄^3-时还起到缓蚀的作用。