CN106404529B - 用于抗空蚀部件的设计和制造的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于设计和制造具有抗空蚀(CE)性的部件的方法。该方法包括选择一种用于在CE敏感环境中使用的基础金属材料，以及在所选材料的样品上实施单轴加载试验。然后，在测试样品的表面实施原子力显微(AFM)形貌测定并用其提供表面应变分析。该方法还包括单轴加载的晶体塑性有限元模拟(CPFEM)，以及对于至少一个微观结构参数的值域的所选材料的CPFEM纳米压痕。确定出可提供改进的抗CE性的、与CPFEM纳米压痕相关的微观结构参数数值的子区域。最后，制造具有落入微观结构参数数值子区域的平均微观结构参数数值的部件。

Description

用于抗空蚀部件的设计和制造的方法
技术领域
本发明涉及一种用于设计和制造抗空蚀性部件的方法，特别涉及一种使用晶体塑性有限元模拟的、用于设计和制造抗空蚀性部件的方法。
背景技术
空蚀(CE)是由金属部件表面附近的液体中的蒸汽泡的产生和破裂引起的。例如，图 1提供了表示空蚀机理的一系列图。在图1a中，蒸汽泡‘b’形成于外层薄膜‘f’上，所述外层薄膜‘f’存在于基体材料的表面上。当如图1b所示的在蒸汽泡b的破裂时，薄膜f经受局部破坏或开口‘o’。此外，如图1c所示，在基体材料‘m’中可形成小缺陷‘d’，而在缺陷位点‘d’上可能形成薄膜‘f’或者不形成薄膜‘f’。缺陷位点‘d’可以作为或者倾向于形成另外的蒸汽泡‘b’(图1d)，其在气泡‘b’破裂时(图1e)于表面薄膜‘f’上产生另外的开口‘o’，并且经由缺陷位点‘d’发生对基体材料‘m’的额外损伤(图1f)。一旦形成了像这样的缺陷位点‘d’，在该位置上也将会产生点腐蚀。
优选CE发生在处理、使用和/或承受高压液体的设备上。此外，在多种工业例如汽车工业中使用的高压液压泵经历了对压力要求的逐步增加，并因此对于CE的敏感度也在增加。照此，对于提供改进的抗CE性的材料的需求日益增加。
由经验研究已知，已经发现具有高硬度和低第二相析出物的金属材料在CE敏感环境中是有效的。然而，同样已知的是第二相析出物的存在可以增强材料的硬度，因此也可能提供增强的抗CE性。然而，为了经验性地确定第二相析出物是否能够增加抗CE性，必须对具有第二相析出物的金属材料的各组合进行CE测试。同样地情况也发生在确定其它微观结构特征例如晶粒尺寸、晶粒取向等是否能够提供增强的抗CE性上。但是，这样的测试耗费时间并且可能昂贵。因此，不需要在广泛范围的微观结构特征方面进行经验性测试的用于设计抗CE性金属材料的方法，将会非常理想。
发明内容
提供一种用于设计和制造具有抗空蚀(CE)性的部件的方法。该方法包括：选择一种用于在CE敏感环境中使用的基础金属材料。此外，该方法包括：在所选材料的样品上进行单轴加载试验，然后在测试样品的表面上进行原子力显微(AFM)形貌测定。AFM形貌可以提供测试样品的表面应变分析。
该方法还包括：对所选材料的FEM样品的单轴加载的晶体塑性有限元模拟(CPFEM)，并使用该CPFEM获得其表面应变表征。
将AFM形貌表面应变分析与CPFEM表面应变表征相进行对比，并针对对比是否落入预定公差内进行判断。在该对比未落入预定公差内的情况下，进行附加的CPFEM，直至CPFEM表面应变表征与AFM形貌表面应变分析在预定公差内一致。此外，为了在提供所选材料的晶格应变历史和单晶刚度数据，该方法中可以包括：在原位单轴加载期间所选材料的可选的中子衍射。该附加数据可以用于所选材料的单轴加载的CPFEM，用以提供更精确的表面应变表征。
当AFM形貌表面应变分析与CPFEM表面应变表征在预定公差内相符合时，该方法在所选材料的FEM样品上进行至少一个微观结构参数的数值范围上的纳米压痕(nanoindentation)CPFEM。至少一个微观结构参数的数值范围上的纳米压痕CPFEM提供了数个硬度值以及可能的其它材料性能数值，作为用于至少一个微观结构参数的数值范围的函数。检查数个硬度值，并且选择与改进的抗CE性对应的子集。此外，还选择与该硬度值子集对应的至少一个微观结构参数的数值的子区域。一旦选择和/或识别出至少一个微观结构参数数值的子区域(subrange)，所选材料被用于制造部件。此外，该部件的微观结构具有至少一个微观结构参数的平均值，其落入所选的数值子区域。
至少一个微观结构参数可以是平均晶粒尺寸、平均晶粒取向、第二相析出物的存在、第二相析出物的类型、数个第二相析出物的平均尺寸、数个第二相析出物的平均外形、数个第二相析出物的平均粒子数密度(average particle number density)。在一些例子中，在至少两个微观结构参数的范围上或在至少两个微观结构参数的迭代上，并且可选地在至少三个微观结构参数的范围上，进行纳米压痕CPFEM。以该方式，所选材料的基本力学性能数据通过使用单轴加载试验和AFM形貌分析产生，并且该性能数据在CPFEM纳米压痕中使用，以获得相对于抗CE性的最佳微观结构。进一步地，如上所述，在CPFEM中，可以使用所选材料的中子衍射以提供数据。
附图说明
图1a是作为空蚀(CE)过程一部分的示意图，其显示在部件表面形成蒸汽泡；
图1b是作为CE过程一部分的示意图，其显示图1a中所示的蒸汽泡在部件表面破裂；
图1c是作为CE过程一部分的示意图，其显示图1a中所示的部件表面形成缺陷位点；
图1d是作为CE过程一部分的示意图，其显示在图1c中所示的缺陷位点处于部件表面上形成另一蒸汽泡；
图1e是作为CE过程一部分的示意图，其显示图1d中所示的蒸汽泡在部件表面破裂；
图1f是作为CE过程一部分的示意图，其显示图1d中所示的缺陷位点加深；
图2是具有等轴晶粒的所选材料的微观结构的示意图；
图3是具有织构晶粒的所选材料的微观结构的示意图；
图4a是不存在第二相析出物的具有等轴晶粒的所选材料的微观结构的示意图；
图4b是具有均匀分布的第二相析出物且具有等轴晶粒的所选材料的微观结构的示意图；
图4c是具有在等轴晶粒内的第二相析出物和沿晶界的析出物的所选材料的微观结构的示意图；
图4d是具有等轴晶粒和针状的第二相析出物的所选材料的微观结构的示意图；
图5是依据本发明的一个实施例的方法的流程图；
图6是以获得测试样品的表面应变分析为目的，使用原子力显微(AFM)形貌分析单轴加载试验样品的表面的示意图；
图7是样品表面的剪切应变的示意图；
图8是通过CPFEM模拟的拉伸加载样品的模型构建；
图9是经受或将经受单轴加载CPFEM的有限元模拟(FEM)样品的示意图；
图10a是对于样品的单轴加载通过实验和CPFEM获得的所施加应力相对工程应变的图表；
图10b是通过实验和CPFEM获得的、所施加应力相对hkl晶格应变的图表；
图11是通过纳米压痕获得的、压痕载荷相对位移的示意图；
图12是在具有表征接触形貌的参数的纳米压痕期间卸载过程的示意图；
图13a是通过CPFEM模拟计算的整个滑移系中的累积剪切应变∑αγα的应变图；
图13b是使用400(20×20)分析点的AFM形貌分析获得的整个滑移系中的累积剪切应变∑αγα的应变图；
图14是用于实施本文中公开的方法的多个步骤的计算机的示意图。
具体实施方式
提供一种用于设计和制造抗空蚀(CE)性的部件的方法。该方法提供了可以涉及抗空蚀性的材料设计的实际改进，并且减少涉及设计和制造抗空蚀设备例如高压泵的时间和成本。
该方法可以包括：确定在对空蚀敏感的特定工业用途中的运行条件。该运行条件可以包括特定的液态环境、液态环境的压力、液态环境的可能流速等。该方法还包括：选择一种可以或者不可以在该液态环境使用的材料，该材料通常包括钢、不锈钢、镍合金、铝合金、钛合金、铜合金等。一旦选择了一种特定的材料或合金，所选材料的样品例如拉伸样品进行单轴加载，以便对该样品施加表面应变。例如，达成3-7％的总应变以提供清晰的滑移痕迹，而没有过度的晶粒变形。之后，进行测试样品表面的原子力显微(AFM)形貌测定，并且使用来自AFM形貌测定的结果制作表面应变分析。
实施所选材料的单轴加载的计算机模拟，并且制作来自计算机模拟的单轴加载的表面应变表征。在一些例子中，该计算机模拟是本领域技术人员已知的单轴加载的晶体塑性有限元模拟(CPFEM)。优选该CPFEM包括单轴加载实验样品例如拉伸样品的有限元模拟(FEM)。
在通过所选材料的单轴加载CPFEM制作表面应变表征之后，将其与由所选材料的实际单轴加载试验制作的AFM形貌表面应变分析进行比较。如果该对比落入预定公差，即在AFM形貌表面应变分析与CPFEM表面应变表征之间存在理想的一致性，那么对所选材料进行纳米压痕CPFEM。优选该预定公差是两种技术之间低于或等于10％的差异。
对于所选材料，在微观结构参数数值范围上实施CPFEM纳米压痕。换言之，对于在预定范围内的单一微观结构参数数值和所选择的微观结构参数数值，实施单一CPFEM纳米压痕。如此，对于数个微观结构参数数值，实施了数个CPFEM纳米压痕模拟。例如，仅出于说明的目的，对于平均晶粒尺寸10微米的材料实施所选材料的CPFEM纳米压痕，然后对平均晶粒尺寸15微米的材料实施另一CPFEM纳米压痕，以此类推，直至对于 CPFEM纳米压痕，平均晶粒尺寸的整个范围均被研究或被模拟。
获得所选材料的力学性能数据的范围，作为来自多个CPFEM纳米压痕模拟的微观结构参数数值范围的函数。在一些例子中，力学性能数据的范围是数个硬度数值、延展性数值等，获得这些数值作为微观参数数值范围的函数。
随着产生力学性能数据的子集的微观结构参数数值的对应子区域，选择力学性能数据的子集。优选该力学性能数据的子集可以代表改进的抗CE性或者与改进的抗CE性有关，并因此微观结构参数数值的对应子区域为所选材料提供了抗CE性的理想微观结构。
一旦选择出了微观结构参数树值的子区域，则由所选材料制造部件，该部件具有特征为微观结构参数树值的子区域的微观结构。换言之，由所选材料制成的部件的微观结构的平均微观结构参数例如平均晶粒尺寸在微观结构参数的所选且相应的子区域中。照此，相比于由相同的所选材料(但微观结构在所选且相应的微观结构参数数值子区域之外)制成的类似或等同的部件，所制造的部件具有改进的抗CE性。
在一些例子中，在来自所选材料的实际材料样品的原位单轴加载过程中，实施了中子衍射；并且中子衍射使得能够获得所选材料的单晶刚度数据。此外，通过中子衍射所得的单晶刚度数据可以在单轴加载的CPFEM和/或纳米压痕模拟中使用。
综上所述，优选，结合微观力学模拟(molding)和纳米压痕试验模拟提供一种用于CE环境的优化的材料设计和部件制造的方法。
优选通过设备设计、通过使用更抗蚀的材料等，可以减轻CE。此外，增加材料的硬度可以增加其抗空蚀性；然而，可塑性降低与这样的硬度的增加有关。因此，本申请公开内容提供了一种用于优化所选的材料的微观结构，以增强材料的抗空蚀性的方法。
参考图2-4，显示所选材料的一系列的说明性微观结构。例如，图2表示了所选材料的参考数字(reference numeral)10的等轴晶粒结构。优选该等轴结构可以存在于对于各种平均晶粒尺寸例如0.1-50微米(μm)的晶粒尺寸范围的所选材料中，。在可选方案中，图3中参考数字20表示了织构微观结构。如该图中所示，存在伸长晶粒，并且所述伸长晶粒通过所选材料的特定轧制策略制造，并具有尺寸和/或长宽比的范围。
图4a提供了具有数个晶粒32和其之间晶界34的等轴晶粒微观结构30a。从图4a优选，在晶粒32中或晶界34处不存在第二相析出物。在可选方案中，图4b提供了微观结构30b，其具有数个晶粒32、晶界34以及在在晶粒32中的第二相析出物36的添加。第二相析出物36具有例如圆形、立方形等的形状。
图4c表示了微观结构30c，其中，晶粒32在其内具有第二相析出物38并且在晶界上具有第二相析出物34b。第二相析出物38可以是圆筒形、椭圆形等，并且晶界上的析出物34b与析出物38是相同类型或不同类型。最后，图4d表示微观结构30d，其中，晶粒32 在其内具有针状或针形的第二相析出物39。本领域技术人员优选该第二相析出物的形成、形状、数量密度等可以通过合金添加剂、特定合金的热机械处理、在材料上施加涂层等进行控制。
转向图5，根据本文中公开的一个以上实施方式的方法以参考数字40显示。方法40包括：选择步骤400处的材料。通常选则材料用于特定的工业用途：存在液态环境并且CE 已知为该材料可能的磨损机理。该材料通常为金属材料，例如钢合金、不锈钢合金、镍合金、钴合金、钛合金、铝合金、锰合金、铜合金等。
在步骤402处，由所选材料制造单轴加载样品，例如拉伸样品。在步骤404处，该样品经受单轴加载，例如该样品经受1％至10％的应变。在一些例子中，该样品经受约3％的应变。此外，为了在加载前观察样品表面的微观结构，样品表面可以进行也可以不进行抛光直至非常高的表面清晰度(resolution)或平滑度(例如，低至50nm)，然后进行化学蚀刻。在样品进行单轴加载后，在步骤406处实施样品表面的原子力显微(AFM)形貌测定，并且在步骤408处使用AFM形貌结果进行表面应变分析。例如，图6提供了一个在样品表面上沿晶粒通过AFM测定的表面形貌的截面分析的例子。另外，图7提供了具有由于孪晶(twining)引起的表面位移‘h’、且由‘x’方向上的AFM剖面线形貌(line section topography)确定或者测定的该晶粒的孪晶部分的横截面的示意图。tx和ttrue分别是x方向上的孪晶宽度即投影孪晶宽度(projected twin width)，和沿孪晶平面法线方向(normal direction)的孪晶厚度。
通过图7所示的示意图，位移的孪晶平面的数量‘N’由测量表面梯级(step)‘h’和投影在表面的法线ez上的孪晶伯氏矢量‘b’按照如下关系获得：
位移的孪晶平面的数量N可与基于投影孪晶厚度tx、孪晶平面法线n和晶面间距(interplane spacing)d按照如下关系的替代推导对比：
优选如果h<<tx，则真实的投影孪晶厚度tx近似等于表观的(即测量的)投影孪晶厚度tx。因此，使用AFM截面形貌数据可以确定N的两个可选推导值，以及获得这两者之间的差异。例如，两种不同地推导的孪晶平面的数量N之间的差异在10％以内，优选为 5％以内，更优选为2％以内。如此，AFM的测量过程是稳定的(robust)，并且可以被用于计算存在于步骤404处经受单轴加载的样品的晶粒中的一系列平面滑移带的滑移位错的数量。
如图8中所阐释，AFM形貌也可以用于沿着特定的AFM剖面线(section line)，对使用单个表面梯级(individual surface steps)的特定变形体系的剪切进行计算。沿着特定长度(例如Xmn)的特定AFM剖面线，通过辨认涉及各表面梯级的特定变形体系(例如α)，以及对每个变形体系的整体高度变化进行积分，通过上述式1可以算出沿着剖面线Xmn产生的单个位移的数量。进一步地，如果相比于长度Xmn，穿过Xmn的整体高度变化很小，每个变形体系的平均剪切(γ)通过下式提供：
优选，如图6中所阐释，可以通过AFM形貌扫描或确定在特定的微观结构区域中变形体系引起的表面高度变化。也可以在待检测的整个表面区域进行剖面线分析，该整个表面区域反过来可被等分为特定数量的分区。例如，各分区具有预定义的尺寸，例如 2.5μm×2.5μm。如此，对于各分区，可以依据上述关系可以计算剪切应变，然后用于制作整个区域的应变图。如下所述地，可将该应变图与CPFEM结果进行比较。
在一些例子中，尽管并不需要，但在步骤410处测试样品的原位单轴加载期间可以实施中子衍射。在可选方案中，可以实施单独的单轴加载运行或试验，其中在样品上进行中子衍射。在这样的例子中，本领域人员已知，当实施中子衍射时，单晶刚度数据来源于中子衍射结果。
在步骤412处，如图9所示，以用于单轴加载模拟的有限元模拟(FEM)样品的示意性例子，实施所选材料的单轴加载的CPFEM。CPFEM被用于模拟作为应力的函数的(hkl) 晶格应变的弹性-塑性响应。如本领域技术人员所知，优选术语或命名(hkl)是指用于所选材料的晶体结构的米勒指数。CPFEM可预测由于取向依赖的屈服顺序 (orientation-dependentyield sequence)和晶界不相容引起的晶粒间应变的演化。CPFEM还可预测由单独相中不同的临界分切应力引起的相间应变。塑性应变率由整个滑移系的滑移率之和确定，其适宜通过对它们各自的滑移方向和滑移面法线的张量积进行加权而获得。对于特定的滑移系，该滑移率通过假设的流动法则与分切应力关联，例如，幂定律形式和经典皮尔斯-阿萨罗-内德勒曼模型(Peirce-Asaro-Needleman model)。最后，滑移强度受硬化公式影响，可能取决于整个滑移体系的滑移应变或可能不取决于整个滑移体系的滑移应变。
在步骤414处，实施所选材料的单轴加载CPFEM的表面应变表征。然后，将步骤414中的表面应变表征的结果，与步骤408处和步骤420处的AFM形貌的表面应变分析进行比较。在该对比未落入预定的公差的情况下，该过程返回步骤412，其中，使用更新或修改后的模型参数执行CPFEM单轴加载。该模型参数可以包括模拟参数例如边界条件、网目尺寸等，和/或CPFEM参数例如弹性刚度、硬化参数、滑移强度和/或应力指数。直至来自步骤414处的CPFEM的表面应变表征与来自步骤408处实施AFM形貌的表面应变分析在预定公差内一致为止，该循环完成，此时该过程进行至步骤427。
在步骤422处，选择微观结构参数数值，并且在步骤424处实施具有所选的微观结构参数数值的所选材料的纳米压痕CPFEM。步骤424通过使用在一次加载和卸载循环期间获得的压痕加载-位移数据模拟纳米压痕，以获得具有特定微观结构的所选材料的力学性能数据，例如硬度、弹性模量、延展性等。
图10中显示了一个典型的在CPFEM模拟期间获得的加载相对于位移的示意图，其中参数‘P’表示加载，并且‘h’表示相对于初始未变形表面的位移。由于硬度压痕形成，在加载期间的变形被假定同时为弹性的和塑性的。在卸载期间，假定仅有弹性位移恢复，并且，卸载曲线的弹性性质有助于CPFEM纳米压痕分析。如此，优选，不对在卸载期间为塑性恢复的材料实施CPFEM纳米压痕。
如图11所示，通过图提供了最大负荷Pmax、最大位移hmax、和定义为初始卸载阶段期间卸载曲线的上部的斜率的刚度S＝dP/dh。另一重要物理量为最终深度hf，其为模拟硬度计压头完全卸载并且材料的弹性变形恢复后的永久穿透深度。
用于测定硬度H和弹性模量E的过程基于如图12示意性表示的卸载过程。物理量或变量hs通过如下关系确定：
其中ε是基于硬度计压头的几何形状的常数，例如对于圆锥冲头，ε＝0.72；对于在低深度下近似为球面的回转抛物面，ε＝0.75；对于平面冲头，ε＝1.00。
使用上述关系对接触周边的垂直位移进行近似，根据图12所示的几何形状可得出，沿着压头和试样之间进行接触的方向的深度hc＝hmax-hs等同于：
使F(d)为描述从其尖端回来距离d处的压头的投影或横截面积的“面积函数(areafunction)”，接触面积通过如下关系提供：
A＝F(hc) (6)
面积函数也被称为压头形状函数，其必须通过独立测量进行仔细校准，以将来自非理想压头形状的偏差纳入计算。
一旦确定了接触面积，可以通过如下关系估算硬度：
弹性模量由其与接触面积和测定卸载刚度(S)的关系通过如下关系推断：
其中，Eeff为由下式定义的有效弹性模量：
优选，有效弹性模量考虑到了在试样和压头两者上发生的弹性位移。
在步骤426处，对于一个所选的微观结构参数数值的CPFEM纳米压痕，获得硬度、弹性模量和/或延展性。在步骤428处，该过程确定对于微观结构参数数值的整个范围，纳米压痕的CPFEM是否已经完成或者是否已经模拟。一旦对于所选微观结构参数数值的整个范围，CPFEM纳米压痕已经完成，则该过程进行至步骤430，其中，选择与理想的硬度、弹性和/或延展性数值的子集对应的微观结构参数数值的理想子区域，并存储在数据库中。最后，在步骤432处，由所选材料制造部件，该部件的微观结构的微观结构参数在步骤430 中选择的微观结构参数数值的理想子区域内。
在一些例子中，可对于一种以上类型的微观结构参数数值实施CPFEM纳米压痕。例如可对以下实施CPFEM纳米压痕模拟：所选材料的平均晶粒尺寸的范围、晶粒平均取向分布的范围、在微观结构中是否存在一种以上的第二相析出物、可能存在的第二相析出物的类型、可能存在的第二相析出物的平均尺寸分布、第二相析出物的平均形状分布、第二相析出物的平均粒子数密度等。优选，这样的对于多种微观结构参数的CPFEM纳米压痕模拟，可以限制或可能消除对具有不同微观结构的所选材料进行实验测定的必要。换言之，本文所公开的方法可以明显地改进用于在空蚀敏感环境中使用的部件的设计和制造。
为更好的说明本公开的教导，但并不以任何方式限定其范围，下文提供了本文中所公开方法的一个以上实施例。
选择316不锈钢合金用于试验和模拟。316合金的冷轧板的初始微观结构通过电子背散射衍射(EBSD)反向探寻而获得。冷轧板的平均晶粒尺寸为近似10微米，并且是使用四个微压痕标记，标出或确定出拉伸样品的测量中心(gauge center)内用于测定的目标区域。在样品上进行单轴加载至约3％总应变的程度，并且使用放大倍率2000x的显微镜清楚地显示和观察滑移带。
实施AFM表面形貌和剖面线分析，从如图6所示的曲线中获得表面高度变化。由晶体滑移导致的表面高度变化在10微米以内。位错滑移的数量N使用表达式(1)确定，其也被用于检测AFM形貌分析的精确度。此外，参考图7和8，样品表面的剪切应变使用上述的方法确定。
已知316合金具有在<110>{111}滑移族内具有12个滑移系的面心立方(FCC)晶体结构。316合金的晶体参数为a＝0.365nm，并且伯氏矢量通过辨认与沿着AFM剖面线长度Xmn的各个表面梯级相关的体系，并且对各体系的整体高度变化进行积分，通过关系式(1)计算沿线Xmn发生的单个位错的数量。如上所述，在被均分为100个分区的整个表面区域进行剖面线分析，各分区规格为2.5μm×2.5μm。对于各分区，计算依据式(3)的剪切应变，然后用于形成整个区域的应变图。
使用如图9阐释的FEM样品，也进行316合金的CPFEM单轴加载，获得CPFEM模拟的剪切应变图和沿着加载方向的应力。图9所示的FEM样品模拟为含有约500个立方晶粒的多晶聚集体的体系，其在中心测量部位(gauge section)具有随机纹理，并且在各晶粒中具有2x2x2的网格或者相当于8个元素。假设各晶粒中的元素具有模拟真实合金体系中的晶粒的立方对立方(cube-on-cube)取向的晶体取向。测量部位的两侧的区域通过米塞斯弹性准则控制，以节省计算成本。
经计算的(hkl)晶格应变是在(hkl)晶面法线与衍射矢量Q平行的晶粒的子集中，投影的弹性变形的体积平均。为改进CPFEM单轴加载模拟的统计，晶粒取向被赋予了相对各<hkl>方向为5度以内的差异，以保证总计500个晶粒的1％至2％之间可以选出各<hkl> 方向。输入的用于CPFEM的材料参数包括C11、C12和C44的刚度数值，其为立方材料的单晶弹性常数。此外，还提供应力指数‘n’、初始硬化模量h0、初始滑移强度τ0、饱和滑移强度(saturation slip strength)τs、潜在硬化参数q。
优选，滑移强度τ0通过泰勒因子与多晶的微观屈服强度相关，对于FCC材料，泰勒因子为3。CPFEM单轴加载预测室温下的临界分切应力约为150兆帕(MPa)。该模拟还可以证明在晶粒间应变的演化中潜在硬化行为起到了重要作用。然而考虑到对于316合金已知并未发生显著硬化，选择了其他塑性参数用于拟合如图12所示的实验数据。以下表1表示了一组塑性参数。
表1
c<sub>11</sub>(GPa) c<sub>12</sub>(GPa) C<sub>44</sub>(GPa) τ<sub>0</sub>(MPa) τ<sub>s</sub>(MPa) n h<sub>0</sub> q
204.8 136.6 126.4 94 147 50 220 1.0
为捕捉在拉伸加载之后SU316的表面变形行为，并与来自AFM的方法得出的表面应变相比较，可使用另一拉伸模型，其具有基于由EBSD测量获得微观结构的准三维 (quasi-3D)网目。该网目通过沿直线晶界轨迹的分布节点、封闭的晶粒平面网目、和向第三维度扩展10微米生成。该第三维度被均分为10个元素。如此，在近似/模拟中，所有的晶界均垂直于表面。
为再现疏松材料中的约束，模拟的微观结构被置于一个类似于笔的长方形容器中。如上所述，该容器使用米塞斯弹性模型模拟以增加计算效率。晶体取向依据EBSD测定通过指定局部材料坐标分配在模拟微观结构网格片(patch)上。在微观结构网格片的一侧实施拉伸加载。
在图13a和13b中，将通过CPFEM模拟计算的整个滑移系的累积剪切应变∑αγα和AFM 形貌分析进行比较。在图13a中标记0.28的高亮的部分、在图13b中标记0.33和0.28的高亮的部分表示应变集中严重的区域，同时显示了CPFEM模拟与实验结果的一致程度。在图13b中，通过AFM在变形后不能清楚观察到滑移痕迹的晶粒中并未对应变分布进行描绘。当到达微观结构网格片边界时，模拟中的源自疏松材料的边界效应可能导致两种方法之间不良的一致性。
当对比显示模拟和实验的一致后，对于微观结构范围进行所选材料的CPFEM纳米压痕。CPFEM纳米压痕模拟可提供数个硬度、弹性和/或延展性数值作为不同微观结构参数和参数数值的函数，然后其允许选择已知能够提供增高的抗空蚀性的硬度、弹性和延展性数值的理想子集。伴随硬度、弹性和/或延展性数值的子集的选择，还选择出微观结构参数数值的对应子区域。换言之，确定了316合金的微观参数的唯一集合或子区域。优选，相比由具有落在通过CPFEM纳米压痕模拟确定的微观结构参数的子区域之外的微观结构的 316合金制造的部件，所述部件将具有增加的抗CE性。
关于模拟，CPFEM是在如图14所示的计算机上进行的。该计算机的示意性图示显示为参考数字50，计算机50具有处理器单元500。处理器单元500可包括存储器502、软件模块504、永久存储器506和RAM存储器508。可以理解，计算机50可以实施本文所公开的CPFEM模拟并且显示图形化表示。
可以理解，上述实施方式和实施例仅用于说明，并非对发明范围的任何方式的限定。变更调整等对本领域技术人员而言是显而易见的，且仍归属于本发明的范围内。如此，本发明的范围由权利要求或其等同物限定。

Claims (20)

1.用于设计和制造抗空蚀部件的方法，所述方法包括：
选择用于在空蚀敏感环境中使用的材料；
在所选材料的样品上进行单轴加载试验；
在试验样品的表面上进行原子力显微镜AFM形貌测定；
使用来自AFM形貌测定的结果，进行试验样品表面的表面应变分析；
进行所选样品的单轴加载的晶体塑性有限元模拟CPFEM，并从该单轴加载CPFEM中获得表面应变表征；
将AFM形貌表面应变分析与CPFEM表面应变表征进行对比，确定对比是否落入预定的公差内；
如果该对比落入预定的公差内，则在所选材料的微观结构参数值的范围上，进行所选材料的CPFEM纳米压痕，所选材料的CPFEM纳米压痕提供多个硬度和延展性值，作为微观结构参数值的范围的函数；
选择多个硬度和延展性值的子集以及产生该多个硬度和延展性值的子集的微观结构参数值的对应子区域；以及
由所选材料制造部件，所述部件的微观结构的微观结构参数在微观结构参数值的所选择的对应子区域内，相比于由所选材料制造且微观结构的微观结构参数在微观结构参数值的所选择的对应子区域以外的另一部件，所制造的部件具有改进的抗空蚀性。
2.如权利要求1所述的方法，其中，用于在空蚀敏感环境中使用的材料为用于高压泵的材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中，单轴加载CPFEM模拟了具有多个晶粒的拉伸样品，并且对于多个晶粒中的每个晶粒，使用单晶晶格参数。
4.如权利要求3所述的方法，其中，至少一个微观结构参数选自于以下参数中的至少一个：晶粒尺寸分布、晶粒取向分布、第二相析出物的存在、第二相析出物的类型、第二相析出物的尺寸分布和第二相析出物的形状分布。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在材料样品的单轴加载之后进行中子衍射，并获得所选材料上的单晶刚度数据。
6.如权利要求5所述的方法，其中，单轴加载的CPFEM使用所述单晶刚度数据。
7.用于设计和制造抗空蚀部件的方法，所述方法包括：
确定在空蚀敏感的特定工业用途中所使用的液态环境；
选择用于在所述液态环境中使用的材料；
提供由所选材料制造的拉伸试验样品；
在所述拉伸试验样品上进行单轴加载拉伸试验；
在所述拉伸试验样品的表面上进行原子力显微镜AFM形貌测定，并由AFM形貌测定确定所述拉伸试验样品的表面应变；
创建所选材料的拉伸试验样品的计算机模型；
进行计算机模型拉伸试验样品的单轴加载的晶体塑性有限元模拟CPFEM，并确定CPFEM表面应变；
将所述拉伸试验样品的表面应变与所述CPFEM表面应变相比较，确定对比是否落入预定的公差内；
如果该对比落入预定的公差内，在用于至少一个微观结构参数的数值范围上，在所选材料的纳米压痕样品的计算机模型上进行CPFEM纳米压痕，所述纳米压痕CPFEM提供多个硬度和延展性值，作为用于至少一个微观结构参数的数值范围的函数；
选择与多个硬度和延展性值的子集对应的用于至少一个微观结构参数的数值的子区域，所述多个硬度和延展性值的子集对应于改进的抗空蚀性；以及
制造所选材料，所选材料的微观结构的至少一个微观结构参数的数值在用于至少一个微观结构参数的数值的子区域内；相比由微观结构的至少一个微观结构参数的数值在用于至少一个微观结构参数的数值的所选择的对应子区域以外的所选材料制造的另一部件，所制造的部件具有改进的抗空蚀性。
8.如权利要求7所述的方法，其中，至少一个微观结构参数选自于以下参数中的至少一个：平均晶粒尺寸、平均晶粒取向、第二相析出物的存在、第二相析出物的类型、第二相析出物的平均尺寸、第二相析出物的平均形状和第二相析出物的平均粒子数密度。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在材料样品的单轴加载之后进行中子衍射，并获得所选材料上的单晶刚度数据。
10.如权利要求9所述的方法，其中，单轴加载的CPFEM使用所述单晶刚度数据。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个微观结构参数是所选材料的平均晶粒尺寸，以及用于所述至少一个微观结构参数的数值范围为所选材料的平均晶粒尺寸的数值范围。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个微观结构参数为选于自以下参数的至少两个微观结构参数：平均晶粒尺寸、平均晶粒取向、第二相析出物的存在、第二相析出物的类型、第二相析出物的平均尺寸、第二相析出物的平均形状和第二相析出物的平均粒子数密度。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述至少两个微观结构参数为所选材料的平均晶粒尺寸和第二相析出物的平均粒子数密度。
14.如权利要求13所述的方法，其中，用于所述至少两个微观结构参数的数值范围为所选材料的平均晶粒尺寸的数值范围和所选材料的第二相析出物的平均粒子数密度的数值范围。
15.如权利要求7所述的方法，其中，所述特定工业用途为高压泵。
16.如权利要求7所述的方法，其中，所述单轴加载CPFEM模拟了具有多个晶粒的拉伸样品，并且对于多个晶粒中的每个晶粒，使用单晶晶格参数。
17.用于设计和制造抗空蚀部件的方法，所述方法包括：
选择用于在空蚀敏感环境中使用的材料；
在所选材料的样品上进行单轴加载试验；
在试验样品的表面上进行原子力显微镜AFM形貌测定；
使用来自AFM形貌测定的结果，进行试验样品表面的表面应变分析；
在材料样品的原位单轴加载期间进行中子衍射，并获得所选材料上的单晶刚度数据；
使用所得的单晶刚度数据，进行所选材料的有限元模型的单轴加载的晶体塑性有限元模拟CPFEM，并从单轴加载CPFEM中获得表面应变表征；
比较AFM形貌表面应变分析和CPFEM表面应变表征，确定对比是否落入预定的公差内；
如果该对比落入预定的公差内，则在所选材料的平均晶粒尺寸的迭代上，实施所选材料的CPFEM纳米压痕，所选材料的CPFEM纳米压痕提供多个硬度和延展性值，作为平均晶粒尺寸的函数；
选择多个硬度和延展性的子集以及产生该多个硬度和延展性值的子集的对应的平均晶粒尺寸；以及
由所选材料制造部件，所述部件的微观结构的平均晶粒尺寸在对应的平均晶粒尺寸内，相比于由所选材料制造且微观结构的平均晶粒尺寸在对应的平均晶粒尺寸以外的另一部件，所制造的部件具有改进的抗空蚀性。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在所选材料的第二相析出物的平均粒子数密度的迭代上，进行所选材料的CPFEM纳米压痕，所选材料的CPFEM纳米压痕提供多个硬度和延展性值，作为平均晶粒尺寸和第二相析出物的平均粒子数密度的函数；
选择多个硬度和延展性值的子集以及产生多个硬度和延展性值的子集的对应的平均晶粒尺寸和对应的第二相析出物的平均粒子数密度；以及
由所选材料制造部件，该部件的微观结构的平均晶粒尺寸和第二相析出物的平均粒子数密度在对应的平均晶粒尺寸和对应的第二相析出物的平均粒子数密度内，相比于由所选材料制造并且微观结构的平均晶粒尺寸和第二相析出物的平均粒子数密度在对应的平均晶粒尺寸以外和对应的第二相析出物的平均粒子数密度以外的另一部件，所制造的部件具有改进的抗空蚀性。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在所选材料的第二相析出物的平均形状的迭代上，进行所选材料的CPFEM纳米压痕，所选材料的CPFEM纳米压痕提供多个硬度和延展性值，作为平均晶粒尺寸、第二相析出物的平均粒子数密度和第二相析出物的平均形状的函数；
选择多个硬度和延展性值的子集以及产生多个硬度和延展性值的子集的对应的平均晶粒尺寸、第二相析出物的平均粒子数密度和第二相析出物的平均形状；以及
由所选材料制造部件，所述部件的微观结构具有分别在对应的平均晶粒尺寸、对应的第二相析出物的平均粒子数密度和对应的第二相析出物的平均形状内的平均晶粒尺寸、第二相析出物的平均粒子数密度和第二相析出物的平均形状，相比于由所选材料制造且微观结构具有在对应的平均晶粒尺寸以外的平均晶粒尺寸、在对应的第二相析出物的平均粒子数密度以外的第二相析出物的平均粒子数密度和在对应的第二相析出物的平均形状以外的第二相析出物的平均形状的另一部件，所制造的部件具有改进的抗空蚀性。
20.如权利要求19所述的方法，其中，第二相析出物的第二相的平均形状的迭代为选自于以下形状的两种以上的形状：球形、圆柱体、椭球形、长方体和针形针状体。
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