[发明专利]一种含有多种合金元素的合金钢的分子动力学建模方法

说明书

本公开揭示了一种含有多种合金元素的合金钢的分子动力学建模方法，其不仅用于建模且进一步实现评估：首先建立一定尺寸形状的铁基体模型，然后将一定量的铁原子以原子置换的方法分别替换成一定量的第一类型合金元素的原子，以及将一定量的第二类型的合金元素的原子以随机插入的方法加入到铁原子模型中，并使其分布均匀形成合金钢的初始分子动力学模型；进一步的，为了避免随机插入的第二类型合金元素的原子与其他原子重叠或者距离过近，导致体系应力和能量过大，因此对模型进行能量最小化处理，然后对模型模拟熔化、降温冷却和室温时效过程，以充分消除模型中的间隙、组织裂纹等，减小模型内应力；最后通过纳米压痕模拟的手段，验证和评估模型。

技术领域

本公开属于计算机模拟材料微观损伤技术领域，具体涉及一种含有多种合金元素的合金钢的分子动力学建模方法。

背景技术

主轴承是航空发动机和燃气轮机的关键支承件，也是影响发动机使用安全的关键件，普遍被看作是与涡轮叶片同等重要的核心部件，一旦出现故障，将会造成灾难性后果。

航空发动机和燃气轮机主轴承具有很高的技术含量，其面临服役环境中高温、高速、高DN值、载荷多变、工况复杂且变化剧烈、使用状态监控困难等诸多技术挑战，可作为衡量一个国家科技、工业实力的重要标准，但当前国内发动机主轴承寿命低、可靠性差，已成为当前我国航空发动机和燃气轮机研制发展中面临的重大瓶颈之一。

目前利用分子动力学进行的与轴承钢方面的合金钢材料相关的研究多直接采用纯铁模型，而实际的合金钢材料中含有一定的其他合金元素，直接采用纯铁基体模型进行研究与实际材料性质相差较大。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开揭示了一种含有多种合金元素的合金钢的分子动力学建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：获取合金钢的特征参数，包括合金中元素的种类及各种合金元素的：质量分数、以及粒子间距；

S2：构建具有确定尺寸和确定晶向的体心立方结构铁基体模型，并且得到铁基体模型中铁原子个数、每一个原子的坐标；

S3：除铁之外，根据需要插入的具体合金元素，确定需要加入铁基体模型的合金元素的原子半径，参考刚坯的方式确定各种合金元素在铁基体模型中的存在形式；

S4：根据合金元素的原子半径及合金元素在铁基体模型中的存在形式，确定各种合金元素的原子加入到铁基体模型中的方法，包括：原子置换的方法，和随机插入的方法，其中，第一类型合金元素的原子选择原子置换的方法，第二类型合金元素的原子选择随机插入的方法；

S5：通过步骤S1获取的各种合金元素的质量分数，以及该铁基体模型铁原子个数，确定所述铁基体模型中分别需要加入的相应合金元素的原子数量；

S6：使用原子置换的方法，依次将铁基体模型中的铁原子随机替换成相应数量的第一类型合金元素的原子，并使得此类原子在铁基体模型中分布均匀；

S7：使用随机插入的方法，在铁基体模型的模型范围内，随机插入相应数量的第二类型合金元素的原子，并使得此类原子在铁基体模型中分布均匀；

S8：对步骤S7处理后的模型，进行能量最小化处理，以消除由于随机插入的第二类型合金元素的原子而带来的原子重合或间距过小的问题；

S9：对步骤S8处理后的模型，模拟合金钢的熔化过程；

S10：对步骤S9处理后的模型，模拟合金钢的降温冷却过程；

S11：对步骤S10处理后的模型，模拟合金钢的室温时效过程；