[发明专利]一种轴承钢材料M50合金的多尺度建模计算方法

说明书

本发明公开了一种轴承钢材料M50合金的多尺度建模计算方法，属于多相合金多尺度建模领域；包括以下步骤：划定试样观测区域；在所述观测区域对试样进行物相种类、分布鉴定，元素组成和晶体结构分析，得到介观元素质量配比和不同物相的元素组成；根据物相种类和晶体结构建立单一物相的原子尺度模型；通过介观元素质量配比、物相元素组成建立等式，求解原子模型中每种物相的数量和铁基体适当尺寸；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；可以基于模型在介观尺度上模拟合金的各项性能，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以及M50合金的损伤机理。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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：

划定试样观测区域；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

所述试样通过以下步骤制备：