CN114038521A - 一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，对锡基轴承合金进行原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析，利用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数；步骤2，根据各组成相的基本物性和力学性能参数，对锡基轴承合金进行介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析，得到锡基轴承合金的力学性能。其中，介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是基于锡基轴承合金微观组织的二维RVE模型或三维RVE模型进行的。

Description

一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法
技术领域
本发明涉及锡基轴承合金材料性能预测技术领域，具体涉及一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法。
背景技术
锡基轴承合金以其优异的嵌藏性、顺应性和抗咬合性，一直以来都是船用低速机滑动轴承的首选材料。研究显示，锡基轴承合金的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能直接决定了滑动轴承的耐磨性、嵌藏性、顺应性、抗咬合性、耐疲劳性以及承载能力等轴承特性，而锡基轴承合金的力学性能很大程度上又直接取决其微观组织以及各相的形态与数量等。目前，对锡基轴承合金力学性能的研究大部分停留在宏观尺度力学性能的表征分析上，以及通过实验分析微观组织和力学性能的相关关系上。
正所谓“一代材料，一代装备”，随着科学技术的快速发展，传统上局限于材料单一尺度尤其是宏观尺度的研究分析已无法满足当今社会对高性能材料研发的迫切需求。随着各国材料基因组计划的相继提出和发展，基于材料模拟计算、高通量实验和数据库的材料研发模式，使材料从发现、研发、生产到应用的速度至少提高了一倍，成本降低了数倍。跨尺度研究是材料基因组计划的核心组成，由于材料在各尺度下结构的差异，导致材料的性质，尤其是力学性质，通常是从原子尺度到宏观尺度的相互关联。随着人类对材料各尺度研究的不断深入，计算材料学在不同尺度下都形成了对应的理论和模拟方法，如宏观连续状态下的有限元仿真，介观状态下的形貌仿真，以及原子状态下的第一性原理仿真和分子动力学计算等。
近年来，随着有限元方法和计算机技术的发展，越来越多的研究学者采用数值模拟的方法来研究材料的微观结构特征如形貌、分布和含量等对材料宏观力学性能的影响。然而，对于锡基轴承合金，目前国内外尚未有关于其微观组织模拟的研究。因此，开展基于真实微观组织的有限元分析以获取锡基轴承合金在不同模拟条件下微观组织的响应分析，建立锡基轴承合金微观组织与力学性能之间的关系，对锡基轴承合金的微观设计具有重要的研究意义。
然而，开展锡基轴承合金微观组织的有限元分析，需要输入各组成相的相关力学性能参数，如弹性模量、泊松比、应力-应变曲线等。由于微观组织中各组成相的尺寸都在微米级的范围，使微区的试样制备极为困难，目前只有极少数有关锡基轴承合金组成相力学性能表征方面的研究，仅有的数据不足以为锡基轴承合金微观组织的有限元分析提供相关的材料属性参数。因此，开展锡基轴承合金各组成相的原子尺度模拟分析，以获取各组成相的基本物性和力学性质，为锡基轴承合金微观组织的有限元分析提供相关参数是非常有必要的。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法。
本发明提供了一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，对锡基轴承合金进行原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析，利用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数；步骤2，根据各组成相的基本物性和力学性能参数，对锡基轴承合金进行介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析，得到锡基轴承合金的力学性能。其中，介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是基于锡基轴承合金微观组织的二维代表性体积单元(RVE)模型或三维RVE模型进行的。
在本发明提供的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析过程包括以下子步骤：步骤1-1，对锡基轴承合金进行X射线衍射(XRD)物相分析，确定锡基轴承合金各组成相的空间群及晶格常数；步骤1-2，确定能准确描述组成相各原子间相互作用的势函数；步骤1-3，基于各组成相的空间群及晶格常数和势函数，建立各组成相的分子动力学模拟分析模型，设置边界条件，利用Lammps软件对模型进行拉伸、压缩以及剪切过程的分子动力学模拟分析；步骤1-4，对分子动力学模拟分析的结果进行分析，获取锡基轴承合金各组成相的基本物性和力学性能参数。
在本发明提供的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析过程包括以下子步骤：步骤2-1，构建反映锡基轴承合金微观组织的二维RVE模型或三维RVE模型；步骤2-2，基于RVE模型和各组成相的基本物性和力学性能参数定义材料属性，进行网格划分、设置接触类型以及添加边界条件和载荷，建立有限元分析模型；步骤2-3，对有限元分析模型进行求解，得到模拟结果；步骤2-4，对模拟结果进行分析，查看模型的应力及变形分布云图、读取模拟过程的应力-应变曲线，获得锡基轴承合金的基本物性和力学性能参数。
在本发明提供的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2-1中，二维RVE模型的构建过程为：通过光学显微镜或扫描电镜获取锡基轴承合金的二维微观组织，选取典型的微观组织形貌，经Photoshop软件去污、去噪、去划痕处理，和CorelDRAW软件矢量图转换，以及AutoCAD软件格式转换后，导入到有限元软件中进行分体建模及装配。
在本发明提供的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2-1中，三维RVE模型的构建过程为：采用基于连续切片的三维重构技术，依次通过抛光、腐蚀、打硬度、拍照的重复步骤，获得锡基轴承合金的连续金相切片，再导入到Mimics软件中进行微观组织的三维RVE模型重构。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，首先对锡基轴承合金进行原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析，利用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数；然后根据各组成相的基本物性和基本力学性能参数，对锡基轴承合金进行介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析，得到锡基轴承合金的力学性能。
上述过程通过分子动力学模拟方法来获取锡基轴承合金组成相的基本物性和力学性能参数，弥补了因微区试样制备困难而无法获取各组成相力学性能数据的不足，为锡基轴承合金微观组织的有限元分析提供了相关参数。
介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是基于锡基轴承合金微观组织的二维RVE模型或三维RVE模型进行的。通过光学显微镜或扫描电镜获取的二维微观组织和通过连续切片技术获取的三维微观组织，能够真实的反映各组成相的微观形貌及分布情况，以此建立的有限元模型更加具有说服力。
另外，介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是以原子尺度下模拟分析获取的各组成相的力学性能作为输入条件，通过求解计算来获取宏观尺度下的力学性能，实现了锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真。
最后，本发明的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法不仅可以用来开展微观组织的结构特征如硬质相的组成、含量、大小、分布及形貌等对力学性能的影响研究，还可以开展铸造缺陷如气孔、裂纹、夹渣等对锡基轴承合金力学性能的影响研究，为锡基轴承合金的微观设计提供相关的理论指导。
附图说明
图1是本发明的实施例中锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法流程图；
图2是本发明的实施例中锡基轴承合金的金相显微组织图；
图3是本发明的实施例中锡基轴承合金各组成相的晶体结构图；
图4是本发明的实施例中β-Sn和Cu6Sn5相的单轴压缩模拟模型图；
图5是本发明的实施例中β-Sn和Cu6Sn5相的单轴压缩应力-应变曲线图；
图6是本发明的实施例中采用连续切片技术构建的锡基轴承合金三维RVE模型图；
图7是本发明的实施例中锡基轴承合金二维RVE模型构建流程图；
图8是本发明的实施例中锡基轴承合金二维微观组织压缩模拟有限元分析模型图；
图9是本发明的实施例中锡基轴承合金RVE模型在20.0％压缩时的应力和应变分布云图；
图10是本发明的实施例中锡基轴承合金压缩应力-应变曲线的仿真和试验结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法作具体阐述。
在本实施例中，提供了一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法。
图1是本实施例中锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法流程图。
如图1所示，本实施例所涉及的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法包括以下步骤：
步骤S1，对锡基轴承合金进行原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析，利用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数。
锡基轴承合金是指含4～16wt.％Sb和0.5～8wt.％Cu，以及少量其他合金元素的轴承合金，具有在软基体上分布着硬质相的显微组织特点。通常，锡基轴承合金的微观组织都是二相区或三相区，即当Sb含量在8wt.％以下时，如锡基轴承合金SnSb8Cu4，其微观组织为基体相(β-Sn)和Cu6Sn5相，而当Sb含量超过8wt.％时，如锡基轴承合金SnSb11Cu6，其微观组织为基体相(β-Sn)、Cu6Sn5相和SnSb相。
图2是本实施例中锡基轴承合金的金相显微组织图。
SnSb8Cu4和SnSb11Cu6的显微组织如图2所示。
具体地，本实施例中以具有基体相和Cu6Sn5相的锡基轴承合金SnSb8Cu4的压缩力学性能的跨尺度仿真为例，进行锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真。
锡基轴承合金SnSb8Cu4的压缩力学性能的跨尺度仿真分析包括β-Sn和Cu6Sn5相力学性能的仿真分析，以及锡基轴承合金SnSb8Cu4的微观组织在单向压缩作用下的模拟分析。
原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析实施过程包括以下子步骤：
步骤S1-1，对锡基轴承合金进行XRD物相分析，确定所述锡基轴承合金各组成相的空间群及晶格常数；
原子尺度下锡基轴承合金组成相的力学性能仿真分析，需要确定β-Sn、Cu6Sn5、SnSb相的晶体结构。为此，采用XRD技术对锡基轴承合金SnSb11Cu6进行了物相分析，确定了各组成相的空间群及晶格常数。
表1是各组成相的空间群及晶格参数。
图3是本实施例中锡基轴承合金各组成相的晶体结构图。
表1各组成相的空间群及晶格参数
Figure BDA0003349252880000081
由上述分析可知，锡基轴承合金SnSb8Cu4的物相组成为β-Sn相和Cu6Sn5相。其中，β-Sn晶体的空间群为141I41/amd，轴长
Figure BDA0003349252880000082
轴角α＝β＝γ＝90°，β-Sn的晶胞中有4个Sn原子，原子坐标为Sn(0,0,0)；Cu6Sn5晶体的空间群为194P63/mmc，轴长
Figure BDA0003349252880000083
夹角α＝β＝90°，γ＝120°，Cu6Sn5的晶胞中有4个原子，其中Cu原子2个，Sn原子2个，原子坐标分别为Cu(0,0,0)和Sn(0.33333,0.66667,0.25)。
步骤S1-2，确定原子间相互作用的势函数。要想开展β-Sn相和Cu6Sn5相力学性能的分子动力学模拟，必须知道Sn-Sn、Cu-Cu和及Cu-Sn的原子间相互作用的势函数。根据相关文献可知，MEAM势函数能很好地描述金属中原子的相互作用。
表2是Sn-Sn、Cu-Cu和Cu-Sn原子间MEAM势的势参数。
表2 Sn-Sn、Cu-Cu和Cu-Sn的MEAM势参数
Figure BDA0003349252880000091
步骤S1-3，建立各组成相的分子动力学模拟分析模型。β-Sn相和Cu6Sn5相的单轴压缩模拟模型均为三维块体结构。
图4是本发明的实施例中β-Sn和Cu6Sn5相的单轴压缩模拟模型图。
如图4所示，在模拟过程中，模型的三个坐标轴方向上均采用周期性边界条件。在进行单轴压缩模拟前，需对模型进行驰豫，消除模型内原子的残余应力，使系统的能量降到最小值，保证模型处于动平衡状态，以接近材料的真实状态。模型的驰豫选择的是NPT系综，温度为300K，外部压力为0Pa，驰豫时间为50ps，时间步长为0.001ps。对驰豫后的模型分别沿轴线方向进行单轴压缩模拟，压缩方法采用Lammps中的deform方法来实现，时间步长为0.001ps，压缩应变速率视情况而定。
步骤S1-4，分子动力学模拟结果分析，获取锡基轴承合金各组成相的基本物性和力学性能参数。
图5是本实施例中β-Sn和Cu6Sn5相的单轴压缩应力-应变曲线图。
如图5所示，图5给出了β-Sn相和Cu6Sn5相沿y轴在应变速率0.002ps-1下得到的压缩应力-应变曲线。
步骤S2，根据各组成相的基本力学性能参数，对锡基轴承合金进行介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析，得到锡基轴承合金的力学性能。具体实施方式为：
步骤S2-1，构建RVE模型。
图6是本实施例中采用连续切片技术构建的锡基轴承合金三维RVE模型图。
图7是本实施例中锡基轴承合金二维RVE模型构建流程图。
微观组织的有限元分析可采用二维或三维RVE模型，但是由于锡基轴承合金的三维RVE模型形貌复杂(如图6所示)，如果采用三维模型进行有限元分析，对计算机性能要求高，难度大、耗时长，而采用二维模型RVE进行有限元分析难度小，耗时短。因此，本实施例选用的是基于真实微观组织的二维RVE模型进行单向压缩模拟分析。从锡基轴承合金SnSb8Cu4的金相图片中提取了具有代表性的微观组织，经Photoshop软件去污、去噪、去划痕处理，和CorelDRAW软件矢量图转换，以及AutoCAD软件格式转换后，最终导入到Abaqus软件中进行分体建模及装配，结果如图7所示。
步骤S2-2，建立有限元分析模型，进行网格划分，定义材料属性，设置接触类型，添加边界条件和载荷等。
图8是本实施例中锡基轴承合金二维微观组织压缩模拟有限元分析模型图。
如图8所示，其中，RVE模型的尺寸为400μm×320μm，仅包含基体相和Cu6Sn5相；压头和底座均为解析刚体，参考点RP1为压头的中点；RVE模型的上表面与压头之间的距离为10μm，下表面与底座接触，在压缩过程中RVE模型的上下表面与压头和底座之间的接触均为摩擦接触，摩擦系数为0.2。RVE模型的网格单元选择的是Quad-dominated单元，网格单元划分选择的是CPS4R单元。模型中基体相和Cu6Sn5相的材料参数根据分子动力学的计算结果进行设置，基体相和Cu6Sn5相的交界处均设置为绑定约束。有限元模型单向压缩模拟的分析步分为两步：第一步将压头在Y方向的位移设为-10.001μm，使压头与RVE模型的接触关系平稳的建立起来；第二步将压头在Y方向的位移设为-90μm，此时模型的压缩量为20％，以上两个分析步均设置为几何非线性。
步骤S2-3，对有限元分析模型进行求解，得到模拟结果。
步骤S2-4，模拟结果分析，查看模型的应力及变形分布云图、读取模拟过程的应力-应变曲线，获得锡基轴承合金的基本物性和力学性能参数。
图9是本实施例中锡基轴承合金RVE模型在20.0％压缩时的应力和应变分布云图。
图10是本实施例中锡基轴承合金压缩应力-应变曲线的仿真和试验结果对比图。
将锡基轴承合金在20.0％压缩时进行应力和应变分析，结果如图9所示。另外，通过提取在压缩模拟过程中压头参考点RP1的反作用力，获得了锡基轴承合金的真实应力-应变曲线，并与宏观压缩试验获得的锡基轴承合金SnSb8Cu4的真实应力-应变曲线进行了对比，结果如图10所示。对比结果显示，模拟获得的压缩曲线与试验获得的压缩曲线在弹性变形阶段吻合度较好；通过仿真分析得到的抗压强度为78MPa，通过宏观压缩试验测得的抗压强度为81MPa，两者的误差在4％以内，说明仿真结果具有较高的准确性。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，首先对锡基轴承合金进行原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析，利用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数；然后根据各组成相的基本物性和基本力学性能，对锡基轴承合金进行介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析，得到锡基轴承合金的力学性能。
上述过程通过分子动力学模拟方法来获取锡基轴承合金组成相的基本物性和力学性能参数，弥补了因微区试样制备困难而无法获取各组成相力学性能数据的不足，为锡基轴承合金微观组织的有限元分析提供了相关参数。
介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是基于锡基轴承合金微观组织的二维RVE模型或三维RVE模型进行的。通过光学显微镜或扫描电镜获取的二维微观组织和通过连续切片技术获取的三维微观组织，能够真实的反映各组成相的微观形貌及分布情况，以此建立的有限元模型更加具有说服力。
另外，介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是以原子尺度下模拟分析获取的各组成相的基本物性和力学性能作为输入条件，通过求解计算来获取宏观尺度下的力学性能，实现了锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真。
最后，本发明的锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法不仅可以用来开展微观组织的结构特征如硬质相的组成、含量、大小、分布及形貌等对力学性能的影响研究，还可以开展铸造缺陷如气孔、裂纹、夹渣等对锡基轴承合金力学性能的影响研究，为锡基轴承合金的微观设计提供相关的理论指导。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对锡基轴承合金进行原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析，利用分子动力学模拟方法得到各组成相的基本物性和力学性能参数；
步骤2，根据所述各组成相的基本物性和力学性能参数，对所述锡基轴承合金进行介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析，得到锡基轴承合金的力学性能，
其中，所述介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析是基于锡基轴承合金微观组织的二维代表性体积单元模型或三维代表性体积单元模型进行的。
2.根据权利要求1所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，其特征在于：
其中，步骤1中，所述原子尺度下锡基轴承合金组成相力学性能的仿真分析过程包括以下子步骤：
步骤1-1，对所述锡基轴承合金进行X射线衍射物相分析，确定所述锡基轴承合金各组成相的空间群及晶格常数；
步骤1-2，确定能准确描述组成相各原子间相互作用的势函数；
步骤1-3，基于所述各组成相的空间群及晶格常数和所述势函数，建立各组成相的分子动力学模拟分析模型，设置边界条件，利用Lammps软件对所述模型进行拉伸、压缩以及剪切过程的分子动力学模拟分析；
步骤1-4，对所述分子动力学模拟分析的结果进行分析，获取锡基轴承合金各组成相的基本物性和力学性能参数。
3.根据权利要求1所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，其特征在于：
其中，步骤2中，介观尺度下锡基轴承合金微观组织的有限元分析过程包括以下子步骤：
步骤2-1，构建反映锡基轴承合金微观组织的二维代表性体积单元模型或三维代表性体积单元模型；
步骤2-2，基于所述代表性体积单元模型和所述各组成相的基本物性和力学性能参数定义材料属性，进行网格划分、设置接触类型以及添加边界条件和载荷，建立有限元分析模型；
步骤2-3，对所述有限元分析模型进行求解，得到模拟结果；
步骤2-4，对所述模拟结果进行分析，查看模型的应力及变形分布云图、读取模拟过程的应力-应变曲线，获得锡基轴承合金的基本物性和力学性能参数。
4.根据权利要求3所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，其特征在于：
其中，步骤2-1中，所述二维代表性体积单元模型的构建过程为：
通过光学显微镜或扫描电镜获取锡基轴承合金的二维微观组织，选取典型的微观组织形貌，经Photoshop软件去污、去噪、去划痕处理，和CorelDRAW软件矢量图转换，以及AutoCAD软件格式转换后，导入到有限元软件中进行分体建模及装配。
5.根据权利要求3所述的一种锡基轴承合金力学性能的跨尺度仿真方法，其特征在于：
其中，步骤2-1中，所述三维代表性体积单元模型的构建过程为：
采用基于连续切片的三维重构技术，依次通过抛光、腐蚀、打硬度、拍照的重复步骤，获得锡基轴承合金的连续金相切片，再导入到Mimics软件中进行微观组织的三维代表性体积单元模型重构。
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