[發明專利]一種碳和滲碳體夾雜對軸承鋼微觀損傷的評估方法及裝置

有效

• 申請號: 202010888463.1
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112069617B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 曹宏瑞;孫亞超
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明公開一種碳和滲碳體夾雜對軸承鋼微觀損傷的評估方法及裝置，方法為構建鐵基體分子動力學模型和碳原子所有可能存在的位置坐標矩陣；設置碳原子個數；隨機生成碳原子坐標并篩選；融合篩選后的碳原子坐標與鐵基體模型坐標得到含碳原子夾雜的軸承鋼基體模型；預留滲碳體夾雜塊位置；構建確定尺寸的滲碳體夾雜塊模型；耦合含碳原子夾雜的軸承鋼基體模型和滲碳體夾雜塊模型；在耦合模型后進行結構馳豫，模擬軸承鋼交變剪切應力狀態下缺陷的演化過程得到可能的損傷機理，考慮到碳原子在鐵基體中穩定存在的坐標形式，解決了碳原子間隙插入鐵基體、滲碳體與鐵基體共存的建模問題，基于所述模型能更加準確、快速地分析軸承鋼的微觀特性。

技術領域

本發明屬于計算機模擬材料微觀損傷技術領域，具體涉及一種碳和滲碳體夾雜對軸承鋼微觀損傷的評估方法及裝置。

背景技術

軸承被稱為“工業的關節”，具有承載能力強，能量消耗低等特點，被廣泛應用在運載、國防等領域重大裝備中。然而軸承類零件由于工作環境較為惡劣，在工作一段時間后難免會出現如滾動接觸疲勞等形式的損傷，而通過宏觀受力分析并不能準確的對軸承鋼損傷狀態進行評估，這就需要從軸承鋼材料的微觀角度對損傷位置和損傷機理進行研究，而準確快速地建立微觀模型對研究材料的損傷行為至關重要。

目前對軸承鋼材料的微觀損傷機理進行仿真分析以分子動力學方法為主，分子動力學是一種以牛頓力學知識為基礎，并結合計算機相關軟件來分析原子運動規律的方法，能夠研究原子間的相互作用，并結合不同的工作狀態和材料基體對不同的問題進行研究。而目前利用分子動力學進行的與軸承鋼材料相關的研究多直接采用純鐵模型，而實際的軸承鋼材料中含有一定的碳原子，且難免會存在滲碳體等夾雜，直接采用純鐵基體模型進行研究與實際材料條件相差較大。通過材料學、晶體學理論和能量最低準則可知，軸承鋼的馬氏體結構中碳原子較穩定的存在于體心立方鐵基體的八面體間隙中，且碳原子之間趨向于相互遠離，軸承鋼中的滲碳體多為復雜的斜方晶體結構。在鐵碳分子動力學建模研究中，國內外學者研究的主要內容包括：

聞鵬，等在2015論文《C原子對Fe-C合金拉伸性能影響的分子動力學分析》中提到在金屬鐵中摻雜碳原子的位置位于晶格八面體間隙，但并未說明碳原子插入的建模步驟，且該模型未考慮碳原子可能超出模型邊界，碳原子之間的距離可能過近的情況。

Hoang-Thien Luu等在2019年出版的論文《Pressure-induced phasetransformations in Fe-C:Molecular dynamics approach》中碳原子隨機插入的方法是在模型基體中隨機插入碳原子并判斷碳原子與鐵原子之間的距離，當距離小于0.6nm時刪除碳原子，但該方法并未直接將碳原子置于較穩定的晶格八面體間隙中，而是通過高溫馳豫的方法來實現，計算效率較低。

韓悌信等在2016年出版的論文《管道鋼微觀變形失效機理的分子動力學研究》中提到了滲碳體的分子動力學建模方法，給出了滲碳體單胞中各原子的位置，并利用Material Studio軟件對滲碳體晶胞進行了建模，但未提及如何將建立的滲碳體模型變為分子動力學計算軟件的可讀取文件。

針對軸承鋼微觀損傷進行的分子動力學研究，目前采用的加載方式多為單軸拉伸，離真實的滾動接觸疲勞損傷機理還有距離。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種碳和滲碳體夾雜對軸承鋼微觀損傷的評估方法及裝置，能夠快速正確地生成一定數量的碳原子和一定體積的滲碳體夾雜塊，并保證這些碳原子隨機分布于體心立方鐵基體八面體間隙中，用于研究軸承鋼滾動接觸疲勞微觀損傷機理，本發明能夠研究軸承鋼模型承受交變剪切應力作用時，鐵素體和滲碳體界面缺陷的生成與演化過程。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種碳和滲碳體夾雜對軸承鋼微觀損傷的評估方法，包括以下步驟：

S1，構建具有確定尺寸和確定晶向的體心立方鐵基體模型，得到模型基體坐標矩陣；