本發(fā)明屬于合金材料結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種基于分子動力學方法高鉻合金的建模方法。

背景技術(shù)：
隨著航空航天、設(shè)備制造業(yè)、核工程等的迅猛發(fā)展，對材料的性能要求也越來越高，合金材料具有較高的強度、硬度，特別是耐高溫、耐磨、耐腐蝕性能較純金屬來說具有相當大的優(yōu)勢，且合金材料能夠按照要求改變材料的配比、生成條件得到不同性能的合金，所以越來越多的合金材料被應用于高精尖的產(chǎn)品中。高鉻合金材料是核主泵推力軸瓦的常用材料，核主泵推力軸瓦由于長時間受到?jīng)_刷腐蝕的影響，故對材料的耐磨性和抗腐蝕性要求較高，且核工業(yè)本身對零部件的要求是要具有良好的表面完整性，以及更高的綜合質(zhì)量。分子動力學模擬(MolecularDynamicsSimulation)以其突出的方便于對所研究材料靜態(tài)、動態(tài)結(jié)果分析的優(yōu)勢，應用于建立被加工材料、刀具等模型的建立，以及對切削加工過程的相互運動、應力、應變、加工過程的溫度、產(chǎn)生的熱以及溫度場的分布、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化以及產(chǎn)生的晶格變形和缺陷等方面的研究，應用前景廣泛，受到越來越多的研究者們的重視。目前，國內(nèi)對這種鑄造高鉻合金的研究主要集中在以實驗為基礎(chǔ)的合金性能及加工方法的研究上，成本花費較大、所需時間周期較長，并難以得出實驗的微觀作用機理對宏觀性能的影響。所以需要利用分子動力學模擬仿真技術(shù)，通過計算機建立模型、算法，實現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)與作用機理的研究。Jae-HyeokShim等發(fā)表的《AtomisticmodelingofnanosizedCrprecipitatecontributiontohardeninginanFe–Cralloy》一文在《JournalofNuclearMaterials》雜志的2009年第386-388卷，第56-59頁，用刃型位錯與納米析出相之間的相互作用的方法研究了高Cr合金鋼的α相的強化效應，沒有合理考慮和建立Cr等元素置換形成的置換固溶體的合金模型，不能完整地體現(xiàn)合金的結(jié)構(gòu)特征，為以后的研究設(shè)置了障礙。因此，仿真的分析結(jié)果難與實際吻合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于解決對新型高鉻合金自身性能以及加工過程中對機理研究的理論模型空缺的問題，提供一種基于分子動力學方法的鑄造高鉻合金的建模方法，建立這種鑄造高鉻合金的理論模型。保證合金模型組織元素位置分布的均勻性、準確性和建模模擬過程中的可靠性。本發(fā)明采取如下技術(shù)方案是一種基于分子動力學方法的鑄造高鉻合金的建模方法，其特征在于，利用分子動力學建模軟件進行鑄造高鉻合金的組成結(jié)構(gòu)的建模，所述的鑄造高鉻合金的建模方法包括以下步驟：步驟1，獲取高鉻合金的特征參數(shù)，包括合金中元素的種類、各種元素的體積分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)、各元素的凝固溫度以及粒子間距和晶粒大?。徊襟E2，基于高鉻合金中組織結(jié)構(gòu)的不同存在形式，其微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為不同的晶體結(jié)構(gòu)；馬氏體、鐵素體等組織結(jié)構(gòu)微觀表現(xiàn)為體心立方的晶體結(jié)構(gòu)，所以構(gòu)造生長體心立方晶體結(jié)構(gòu)，并對建好的晶粒進行旋轉(zhuǎn)、平移晶粒中心的坐標至原始原點坐標位置，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理；步驟3，合金中包含的奧氏體等組織結(jié)構(gòu)微觀表現(xiàn)為面心立方的結(jié)構(gòu)，所以構(gòu)造生長面心立方晶體結(jié)構(gòu)，同樣對生長的面心立方晶粒進行旋轉(zhuǎn)和坐標平移處理，兩次旋轉(zhuǎn)的角度應該不同，以模擬更接近實際的晶體排列結(jié)構(gòu)；步驟4，統(tǒng)計鉻的含量分布，編寫置換程序，通過置換原子的程序，并對晶格常數(shù)的賦值得到鉻原子，以鉻原子置換模型中的現(xiàn)有原子，形成置換固溶體，置換過程中只置換原子參數(shù)不變的原子，已經(jīng)置換過的原子不再置換；步驟5，設(shè)定算法判據(jù)，若滿足鉻元素在合金中的體積分數(shù)和質(zhì)量分數(shù)的要求，則結(jié)束原子置換過程，若未滿足要求則重復步驟4的置換過程；步驟6，利用Voronoi算法對以上步驟所構(gòu)造的多晶模型進行優(yōu)化處理，取一個多邊形區(qū)域作為單元區(qū)域，對于這個單元區(qū)域，使超出單元左邊界的模型平移到單元區(qū)域的右邊，超出單元右邊界的模型平移到單元的左邊，超出單元上邊界的模型平移到單元下邊，超出單元下邊界的模型平移到單元上邊，使上下、左右構(gòu)成一個循環(huán)，使其更符合多晶的晶體結(jié)構(gòu)，以及合金中晶體的排列方式；步驟7，通過賦值得到合金中其他元素的原子；重復步驟4到步驟6的過程，得到合金中其他所有元素的含量，最終得到鑄造高鉻合金的理論模型。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的構(gòu)建高鉻合金的微觀結(jié)構(gòu)模型的方法，能夠準確生成真實合金中各元素的含量及空間排布方式，對研究該合金的自身性能和加工方法以及對加工中的切削力、溫度場的分布、材料的結(jié)構(gòu)變化都具有現(xiàn)實意義。附圖說明圖1：本發(fā)明建立鑄造高鉻合金模型方法的流程圖；圖2：建立的合金多晶結(jié)構(gòu)圖；圖3：晶粒優(yōu)化處理示意圖。具體實施方案下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖的詳細說明本發(fā)明的具體實施。圖1是本發(fā)明建立鑄造高鉻合金模型方法的流程圖，首先獲取鑄造高鉻合金模型的特征參數(shù)：元素的種類，各種元素的體積分數(shù)，質(zhì)量分數(shù)，各元素的凝固溫度以及粒子間距、晶粒大小和晶粒的分布情況。其中，元素種類包括鉬(Mo)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、釩(V)、硅(Si)、硫(S)。在進行分子動力學仿真過程中，工件和刀具模型是按照原子的組成規(guī)律來排列的。在步驟2和步驟3中，由于鑄造高鉻合金中組織結(jié)構(gòu)存在不同的形式，有馬氏體、奧氏體、鐵素體，這些不同的組織形式其微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為不同的晶體結(jié)構(gòu)。其中馬氏體、鐵素體等組織結(jié)構(gòu)微觀表現(xiàn)為體心立方的晶體結(jié)構(gòu)，奧氏體微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為面心立方的晶體結(jié)構(gòu)，所以利用Fortran語言構(gòu)造生長體心立方晶體結(jié)構(gòu)，再構(gòu)造面心立方的晶體結(jié)構(gòu)，實際的合金結(jié)構(gòu)中不同的晶粒具有不同的晶向，所以對建好的晶粒模型進行旋轉(zhuǎn)來構(gòu)造不同晶向的晶格結(jié)構(gòu)。體心立方的晶格旋轉(zhuǎn)α角，面心立方的晶格先旋轉(zhuǎn)一個β角，再旋轉(zhuǎn)α角。分子動力學中每個原子都是由空間坐標表示的，確定了坐標也就確定了原子位置，把晶粒形心的坐標平移至原始原點坐標位置，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。高鉻合金具有優(yōu)良的耐磨性、硬度，由于合金中存在較多的鉻碳化合物和鉻固溶在奧氏體、馬氏體及其轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。鐵原子的原子半徑是126pm，鉻原子的原子半徑是128pm，可以滿足置換固溶的條件，實際上鐵與鉻兩元素是無限固溶的。所以在步驟4中，統(tǒng)計鉻(Cr)的含量分布，編寫置換程序，通過賦值得到鉻原子，用鉻原子隨機置換模型中現(xiàn)有原子，置換過程中只置換原子參數(shù)不變的原子，置換過的原子就不再被置換。鉻原子的原子半徑比鐵原子的原子半徑大，置換后產(chǎn)生正晶格畸變，內(nèi)能增高，阻礙位錯滑移，使材料的強度、耐磨性增強。設(shè)定算法判據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計的鉻元素在合金中的含量，編寫程序判斷是否滿足要求，若滿足則停止置換，若不滿足則繼續(xù)重復步驟4過程置換，直到滿足要求為止。圖2表示出建立的合金多晶結(jié)構(gòu)圖。編寫Voronoi算法程序，對步驟2到步驟5構(gòu)建的模型進行優(yōu)化處理。如圖3所示，選取一個區(qū)域作為單元區(qū)域，在這個單元區(qū)域內(nèi)隨機選取n個點作為晶核，將這個單元區(qū)域擴展成9個相同的區(qū)域，對單元區(qū)域內(nèi)的某個點與它相鄰最近的其他點進行計算，并構(gòu)造Voronoi多邊形，由于這n個點是隨機選取的，所以多邊形的形狀也是隨機的，這是符合實際情況的。由于其他區(qū)域都是由單元區(qū)域擴展得到的，n個點的位置相同，對于處在單元區(qū)域外面的晶體部分，分割區(qū)域?qū)ζ溥M行平移，即處在上邊界面外的平移至下邊界面內(nèi)，下邊界面外的平移至上邊界面內(nèi)，左邊界面外的平移至右邊界面內(nèi)，有邊界面外的平移至左邊界面內(nèi)，上下左右為一個循環(huán)，截取這個單元區(qū)域就是我們想要得到置換鉻元素后的晶體微觀結(jié)構(gòu)模型，見圖3。按照步驟4到步驟6的過程對合金中其他元素：鉬、銅、鎳、釩、硅、硫置換模型中的鐵元素，達到最后新型高鉻合金的元素含量要求。建立鑄造高鉻合金的理論模型。本發(fā)明提出的構(gòu)建鑄造高鉻合金的微觀結(jié)構(gòu)模型的方法，能夠準確生成真實合金中各元素的含量及空間排布方式，對研究該合金的自身性能和加工方法以及對加工中的切削力、溫度場的分布、材料的結(jié)構(gòu)變化都具有現(xiàn)實意義。