本發(fā)明屬于金屬及合金制備，具體涉及一種基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法。

背景技術(shù)：

1、中錳鋼作為第三代高強(qiáng)鋼的代表之一，由于奧氏體的更加穩(wěn)定，其力學(xué)性能得到了改善，在航空和汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這種穩(wěn)定是通過增加奧氏體晶粒內(nèi)的錳含量和優(yōu)化奧氏體逆相變（art）的動(dòng)力學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)的。然而，在制備良好性能中錳鋼的過程中，由于奧氏體逆相變的工藝參數(shù)，如等溫溫度、保溫時(shí)間等不同，將導(dǎo)致組織形態(tài)和元素分布不同，從而影響材料性能。多數(shù)實(shí)驗(yàn)采用試錯(cuò)法，大大降低了生產(chǎn)效率，提高了成本。此外，多數(shù)對(duì)奧氏體逆相變的動(dòng)力學(xué)描述模型缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而制約了模型的應(yīng)用和推廣。

2、通常情況下，隨等溫溫度和保溫時(shí)間的增加，能夠增加奧氏體含量，卻減少了硬相馬氏體，同時(shí)還會(huì)影響奧氏體的穩(wěn)定性，這也與成分有關(guān)。為了控制組織形態(tài)和元素配分，半解析混合模式模型、元胞自動(dòng)模擬機(jī)模型等相變模型研究廣泛，通過松弛經(jīng)典擴(kuò)散模型存在的單一的擴(kuò)散控制或元素近平衡等假設(shè)，對(duì)奧氏體逆相變的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了闡述。然而由于擴(kuò)散控制相變模型缺乏對(duì)相變能量變化的描述，即熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力和動(dòng)力學(xué)能壘，沒有將工藝-相變-性能系統(tǒng)考慮，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)等溫溫度和保溫時(shí)間的最佳配合的定量設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，本發(fā)明基于熱力學(xué)極值原理，預(yù)測(cè)了相變動(dòng)力學(xué)過程，耦合中錳鋼奧氏體逆相變熱處理工藝參數(shù)，提出了一種大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性的熱-動(dòng)力學(xué)判據(jù)，以實(shí)現(xiàn)最佳工藝參數(shù)配合的定量設(shè)計(jì)得到良好強(qiáng)度和塑性的組織，有助于art工藝的推廣。

2、本發(fā)明第一個(gè)目的是提供一種基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，包括：

3、分別建立塊體相和界面處的吉布斯自由能變化率和能量耗散方程；

4、建立界面遷移動(dòng)力學(xué)模型：

5、將界面處吉布斯自由能變化率和能量耗散方程代入界面處熱力學(xué)極值原理表達(dá)式，獲得界面遷移速度和界面處各元素濃度；根據(jù)界面遷移速度預(yù)測(cè)產(chǎn)生相奧氏體的含量；

6、將塊體相內(nèi)的吉布斯自由能變化率和能量耗散方程代入塊體內(nèi)熱力學(xué)極值原理表達(dá)式，獲得擴(kuò)散第二定理表達(dá)式；

7、根據(jù)界面處各元素濃度代入擴(kuò)散第二定理表達(dá)式，獲得塊體相元素濃度分布情況，即瞬態(tài)溶質(zhì)場(chǎng)；

8、建立適用于奧氏體逆相變的廣義穩(wěn)定性：

9、定義界面遷移驅(qū)動(dòng)力表達(dá)式，并根據(jù)界面處各元素濃度獲得界面遷移驅(qū)動(dòng)力；根據(jù)界面遷移速度表達(dá)式獲得能壘表達(dá)式；

10、建立廣義穩(wěn)定性解析式，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和能壘獲得廣義穩(wěn)定性；

11、根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和廣義穩(wěn)定性，基于大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性判據(jù)，設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合。

12、優(yōu)選的，塊體相和界面處的吉布斯自由能變化率分別為：

13、

14、式中，表示奧氏體相的左側(cè)位置；表示奧氏體與鐵素體相間的界面位置；表示鐵素體相的右側(cè)位置；

15、表示塊體相的吉布斯自由能變化率；

16、和分別表示相和相鐵溶質(zhì)的化學(xué)勢(shì)，上角標(biāo)“”表示鐵；

17、和分別表示相和相溶質(zhì)的化學(xué)勢(shì)，上角標(biāo)“”表示取代溶質(zhì)，“表示間隙溶質(zhì)；

18、和分別表示相和相溶質(zhì)的通量；

19、

20、式中，表示界面處的吉布斯自由能變化率；

21、和分別表示相和相鐵溶質(zhì)界面處的化學(xué)勢(shì)，上角標(biāo)“”表示鐵；

22、和分別表示相和相溶質(zhì)界面處的化學(xué)勢(shì)，

23、和分別表示相和相溶質(zhì)界面處的通量；

24、為摩爾體積；表示界面遷移速度；表示溶質(zhì)種類總數(shù)；

25、代表界面處變量。

26、優(yōu)選的，塊體相和界面處的吉布斯自由能耗散分別為：

27、

28、

29、式中，和分別表示塊體相和界面處的吉布斯自由能耗散；

30、和分別是原子在塊體內(nèi)的擴(kuò)散率和在界面內(nèi)的擴(kuò)散率，其中，；

31、，其中m為界面遷移率。

32、優(yōu)選的，界面處熱力學(xué)極值原理表達(dá)式為：

33、

34、式中，為拉格朗日乘子；表示變分符號(hào)；

35、根據(jù)界面遷移速度預(yù)測(cè)產(chǎn)生相奧氏體的含量

36、

37、式中，表示奧氏體形成分?jǐn)?shù)；表示界面距離奧氏體左側(cè)的長(zhǎng)度；s表示奧氏體和鐵素體總區(qū)間長(zhǎng)度。

38、優(yōu)選的，塊體內(nèi)熱力學(xué)極值原理表達(dá)式為：

39、

40、式中，表示變分符號(hào)；表示塊體相吉布斯自由能變化率；

41、表示塊體相的吉布斯自由能耗散。

42、優(yōu)選的，界面遷移驅(qū)動(dòng)力表達(dá)式為：

43、

44、其中

45、

46、

47、式中，，分別為初始的界面處鐵素體側(cè)或奧氏體側(cè)濃度和對(duì)應(yīng)的平衡濃度；表示t時(shí)刻時(shí)界面處i溶質(zhì)的位置分?jǐn)?shù)；表示相變引起的應(yīng)變能；為與溫度和成分相關(guān)的參數(shù)。

48、優(yōu)選的，能壘表達(dá)式為：

49、

50、其中

51、

52、

53、式中，表示氣體常數(shù)，8.314j/mol/k；表示相變溫度；表示聲音在金屬中傳播的速度，1000m/s；表示界面遷移速度；表示塊體擴(kuò)散激活能和界面遷移激活能的差值。

54、優(yōu)選的，廣義穩(wěn)定性為：

55、

56、式中，表示瞬態(tài)界面遷移激活能；表示初始界面遷移激活能；表示瞬態(tài)界面遷移驅(qū)動(dòng)力；表示初始界面遷移驅(qū)動(dòng)力。

57、優(yōu)選的，所述設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合中，最佳工藝參數(shù)組合為等溫溫度660℃，保溫時(shí)間30min。

58、本發(fā)明第二個(gè)目的是提供一種上述的方法在提升中錳鋼強(qiáng)塑性中的應(yīng)用。

59、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

60、本發(fā)明提供了一種基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，本發(fā)明通過基于熱力學(xué)極值原理建立奧氏體逆相變模型，與傳統(tǒng)擴(kuò)散相變模型相比，將元素?cái)U(kuò)散、界面遷移和擴(kuò)散與界面之間的相互作用等同時(shí)考慮在內(nèi)，可以對(duì)相變動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行良好預(yù)測(cè)。

61、本發(fā)明遵循大驅(qū)動(dòng)力-大廣義穩(wěn)定性判據(jù)，提出一種新策略同時(shí)通過材料強(qiáng)度和塑性：相變初態(tài)的大驅(qū)動(dòng)力對(duì)應(yīng)低等溫溫度提高材料強(qiáng)度，相變末態(tài)的大廣義穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)時(shí)間保溫提高材料塑性。

62、本發(fā)明提出的工藝設(shè)計(jì)策略，可以對(duì)兩種參數(shù)：等溫溫度和保溫時(shí)間，同時(shí)控制的工藝進(jìn)行優(yōu)化，尋找兩個(gè)工藝參數(shù)之間的最優(yōu)配合，優(yōu)化實(shí)際生產(chǎn)效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，塊體相和界面處的吉布斯自由能變化率分別為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，塊體相和界面處的吉布斯自由能耗散分別為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，界面處熱力學(xué)極值原理表達(dá)式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，塊體內(nèi)熱力學(xué)極值原理表達(dá)式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，界面遷移驅(qū)動(dòng)力表達(dá)式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，能壘表達(dá)式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，廣義穩(wěn)定性為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合中，最佳工藝參數(shù)組合為等溫溫度660℃，保溫時(shí)間30min。

10.一種權(quán)利要求1~9任一項(xiàng)所述的方法在提升中錳鋼強(qiáng)塑性中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于奧氏體逆相變動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)中錳鋼強(qiáng)塑性的方法，屬于金屬及合金制備技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括分別建立塊體相和界面處的吉布斯自由能變化率和能量耗散方程；建立廣義穩(wěn)定性解析式，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和能壘獲得廣義穩(wěn)定性；根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和廣義穩(wěn)定性，基于大驅(qū)動(dòng)力?大廣義穩(wěn)定性判據(jù)，設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合。本發(fā)明通過基于熱力學(xué)極值原理建立奧氏體逆相變模型，與傳統(tǒng)擴(kuò)散相變模型相比，將元素?cái)U(kuò)散、界面遷移和擴(kuò)散與界面之間的相互作用等同時(shí)考慮在內(nèi)，可以對(duì)相變動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行良好預(yù)測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉峰,候涌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17