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用于抗空蝕部件的設(shè)計(jì)和制造的方法與流程

文檔序號:11131260閱讀:425來源:國知局
用于抗空蝕部件的設(shè)計(jì)和制造的方法與制造工藝
本發(fā)明涉及一種用于設(shè)計(jì)和制造抗空蝕性部件的方法,特別涉及一種使用晶體塑性有限元模擬的、用于設(shè)計(jì)和制造抗空蝕性部件的方法。
背景技術(shù)
:空蝕(CE)是由金屬部件表面附近的液體中的蒸汽泡的產(chǎn)生和破裂引起的。例如,圖1提供了表示空蝕機(jī)理的一系列圖。在圖1a中,蒸汽泡‘b’形成于外層薄膜‘f’上,所述外層薄膜‘f’存在于基體材料的表面上。當(dāng)如圖1b所示的在蒸汽泡b的破裂時(shí),薄膜f經(jīng)受局部破壞或開口‘o’。此外,如圖1c所示,在基體材料‘m’中可形成小缺陷‘d’,而在缺陷位點(diǎn)‘d’上可能形成薄膜‘f’或者不形成薄膜‘f’。缺陷位點(diǎn)‘d’可以作為或者傾向于形成另外的蒸汽泡‘b’(圖1d),其在氣泡‘b’破裂時(shí)(圖1e)于表面薄膜‘f’上產(chǎn)生另外的開口‘o’,并且經(jīng)由缺陷位點(diǎn)‘d’發(fā)生對基體材料‘m’的額外損傷(圖1f)。一旦形成了像這樣的缺陷位點(diǎn)‘d’,在該位置上也將會產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。優(yōu)選CE發(fā)生在處理、使用和/或承受高壓液體的設(shè)備上。此外,在多種工業(yè)例如汽車工業(yè)中使用的高壓液壓泵經(jīng)歷了對壓力要求的逐步增加,并因此對于CE的敏感度也在增加。照此,對于提供改進(jìn)的抗CE性的材料的需求日益增加。由經(jīng)驗(yàn)研究已知,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有高硬度和低第二相析出物的金屬材料在CE敏感環(huán)境中是有效的。然而,同樣已知的是第二相析出物的存在可以增強(qiáng)材料的硬度,因此也可能提供增強(qiáng)的抗CE性。然而,為了經(jīng)驗(yàn)性地確定第二相析出物是否能夠增加抗CE性,必須對具有第二相析出物的金屬材料的各組合進(jìn)行CE測試。同樣地情況也發(fā)生在確定其它微觀結(jié)構(gòu)特征例如晶粒尺寸、晶粒取向等是否能夠提供增強(qiáng)的抗CE性上。但是,這樣的測試耗費(fèi)時(shí)間并且可能昂貴。因此,不需要在廣泛范圍的微觀結(jié)構(gòu)特征方面進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性測試的用于設(shè)計(jì)抗CE性金屬材料的方法,將會非常理想。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:提供一種用于設(shè)計(jì)和制造具有抗空蝕(CE)性的部件的方法。該方法包括:選擇一種用于在CE敏感環(huán)境中使用的基礎(chǔ)金屬材料。此外,該方法包括:在所選材料的樣品上進(jìn)行單軸加載試驗(yàn),然后在測試樣品的表面上進(jìn)行原子力顯微(AFM)形貌測定。AFM形貌可以提供測試樣品的表面應(yīng)變分析。該方法還包括:對所選材料的FEM樣品的單軸加載的晶體塑性有限元模擬(CPFEM),并使用該CPFEM獲得其表面應(yīng)變表征。將AFM形貌表面應(yīng)變分析與CPFEM表面應(yīng)變表征相進(jìn)行對比,并針對對比是否落入預(yù)定公差內(nèi)進(jìn)行判斷。在該對比未落入預(yù)定公差內(nèi)的情況下,進(jìn)行附加的CPFEM,直至CPFEM表面應(yīng)變表征與AFM形貌表面應(yīng)變分析在預(yù)定公差內(nèi)一致。此外,為了在提供所選材料的晶格應(yīng)變歷史和單晶剛度數(shù)據(jù),該方法中可以包括:在原位單軸加載期間所選材料的可選的中子衍射。該附加數(shù)據(jù)可以用于所選材料的單軸加載的CPFEM,用以提供更精確的表面應(yīng)變表征。當(dāng)AFM形貌表面應(yīng)變分析與CPFEM表面應(yīng)變表征在預(yù)定公差內(nèi)相符合時(shí),該方法在所選材料的FEM樣品上進(jìn)行至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值范圍上的納米壓痕(nanoindentation)CPFEM。至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值范圍上的納米壓痕CPFEM提供了數(shù)個(gè)硬度值以及可能的其它材料性能數(shù)值,作為用于至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值范圍的函數(shù)。檢查數(shù)個(gè)硬度值,并且選擇與改進(jìn)的抗CE性對應(yīng)的子集。此外,還選擇與該硬度值子集對應(yīng)的至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值的子區(qū)域。一旦選擇和/或識別出至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的子區(qū)域(subrange),所選材料被用于制造部件。此外,該部件的微觀結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值,其落入所選的數(shù)值子區(qū)域。至少一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)可以是平均晶粒尺寸、平均晶粒取向、第二相析出物的存在、第二相析出物的類型、數(shù)個(gè)第二相析出物的平均尺寸、數(shù)個(gè)第二相析出物的平均外形、數(shù)個(gè)第二相析出物的平均粒子數(shù)密度(averageparticlenumberdensity)。在一些例子中,在至少兩個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍上或在至少兩個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的迭代上,并且可選地在至少三個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍上,進(jìn)行納米壓痕CPFEM。以該方式,所選材料的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)通過使用單軸加載試驗(yàn)和AFM形貌分析產(chǎn)生,并且該性能數(shù)據(jù)在CPFEM納米壓痕中使用,以獲得相對于抗CE性的最佳微觀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地,如上所述,在CPFEM中,可以使用所選材料的中子衍射以提供數(shù)據(jù)。附圖說明圖1a是作為空蝕(CE)過程一部分的示意圖,其顯示在部件表面形成蒸汽泡;圖1b是作為CE過程一部分的示意圖,其顯示圖1a中所示的蒸汽泡在部件表面破裂;圖1c是作為CE過程一部分的示意圖,其顯示圖1a中所示的部件表面形成缺陷位點(diǎn);圖1d是作為CE過程一部分的示意圖,其顯示在圖1c中所示的缺陷位點(diǎn)處于部件表面上形成另一蒸汽泡;圖1e是作為CE過程一部分的示意圖,其顯示圖1d中所示的蒸汽泡在部件表面破裂;圖1f是作為CE過程一部分的示意圖,其顯示圖1d中所示的缺陷位點(diǎn)加深;圖2是具有等軸晶粒的所選材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖;圖3是具有織構(gòu)晶粒的所選材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖;圖4a是不存在第二相析出物的具有等軸晶粒的所選材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖;圖4b是具有均勻分布的第二相析出物且具有等軸晶粒的所選材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖;圖4c是具有在等軸晶粒內(nèi)的第二相析出物和沿晶界的析出物的所選材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖;圖4d是具有等軸晶粒和針狀的第二相析出物的所選材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖;圖5是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖;圖6是以獲得測試樣品的表面應(yīng)變分析為目的,使用原子力顯微(AFM)形貌分析單軸加載試驗(yàn)樣品的表面的示意圖;圖7是樣品表面的剪切應(yīng)變的示意圖;圖8是通過CPFEM模擬的拉伸加載樣品的模型構(gòu)建;圖9是經(jīng)受或?qū)⒔?jīng)受單軸加載CPFEM的有限元模擬(FEM)樣品的示意圖;圖10a是對于樣品的單軸加載通過實(shí)驗(yàn)和CPFEM獲得的所施加應(yīng)力相對工程應(yīng)變的圖表;圖10b是通過實(shí)驗(yàn)和CPFEM獲得的、所施加應(yīng)力相對hkl晶格應(yīng)變的圖表;圖11是通過納米壓痕獲得的、壓痕載荷相對位移的示意圖;圖12是在具有表征接觸形貌的參數(shù)的納米壓痕期間卸載過程的示意圖;圖13a是通過CPFEM模擬計(jì)算的整個(gè)滑移系中的累積剪切應(yīng)變∑αγα的應(yīng)變圖;圖13b是使用400(20×20)分析點(diǎn)的AFM形貌分析獲得的整個(gè)滑移系中的累積剪切應(yīng)變∑αγα的應(yīng)變圖;圖14是用于實(shí)施本文中公開的方法的多個(gè)步驟的計(jì)算機(jī)的示意圖。具體實(shí)施方式提供一種用于設(shè)計(jì)和制造抗空蝕(CE)性的部件的方法。該方法提供了可以涉及抗空蝕性的材料設(shè)計(jì)的實(shí)際改進(jìn),并且減少涉及設(shè)計(jì)和制造抗空蝕設(shè)備例如高壓泵的時(shí)間和成本。該方法可以包括:確定在對空蝕敏感的特定工業(yè)用途中的運(yùn)行條件。該運(yùn)行條件可以包括特定的液態(tài)環(huán)境、液態(tài)環(huán)境的壓力、液態(tài)環(huán)境的可能流速等。該方法還包括:選擇一種可以或者不可以在該液態(tài)環(huán)境使用的材料,該材料通常包括鋼、不銹鋼、鎳合金、鋁合金、鈦合金、銅合金等。一旦選擇了一種特定的材料或合金,所選材料的樣品例如拉伸樣品進(jìn)行單軸加載,以便對該樣品施加表面應(yīng)變。例如,達(dá)成3-7%的總應(yīng)變以提供清晰的滑移痕跡,而沒有過度的晶粒變形。之后,進(jìn)行測試樣品表面的原子力顯微(AFM)形貌測定,并且使用來自AFM形貌測定的結(jié)果制作表面應(yīng)變分析。實(shí)施所選材料的單軸加載的計(jì)算機(jī)模擬,并且制作來自計(jì)算機(jī)模擬的單軸加載的表面應(yīng)變表征。在一些例子中,該計(jì)算機(jī)模擬是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的單軸加載的晶體塑性有限元模擬(CPFEM)。優(yōu)選該CPFEM包括單軸加載實(shí)驗(yàn)樣品例如拉伸樣品的有限元模擬(FEM)。在通過所選材料的單軸加載CPFEM制作表面應(yīng)變表征之后,將其與由所選材料的實(shí)際單軸加載試驗(yàn)制作的AFM形貌表面應(yīng)變分析進(jìn)行比較。如果該對比落入預(yù)定公差,即在AFM形貌表面應(yīng)變分析與CPFEM表面應(yīng)變表征之間存在理想的一致性,那么對所選材料進(jìn)行納米壓痕CPFEM。優(yōu)選該預(yù)定公差是兩種技術(shù)之間低于或等于10%的差異。對于所選材料,在微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值范圍上實(shí)施CPFEM納米壓痕。換言之,對于在預(yù)定范圍內(nèi)的單一微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值和所選擇的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值,實(shí)施單一CPFEM納米壓痕。如此,對于數(shù)個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值,實(shí)施了數(shù)個(gè)CPFEM納米壓痕模擬。例如,僅出于說明的目的,對于平均晶粒尺寸10微米的材料實(shí)施所選材料的CPFEM納米壓痕,然后對平均晶粒尺寸15微米的材料實(shí)施另一CPFEM納米壓痕,以此類推,直至對于CPFEM納米壓痕,平均晶粒尺寸的整個(gè)范圍均被研究或被模擬。獲得所選材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的范圍,作為來自多個(gè)CPFEM納米壓痕模擬的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值范圍的函數(shù)。在一些例子中,力學(xué)性能數(shù)據(jù)的范圍是數(shù)個(gè)硬度數(shù)值、延展性數(shù)值等,獲得這些數(shù)值作為微觀參數(shù)數(shù)值范圍的函數(shù)。隨著產(chǎn)生力學(xué)性能數(shù)據(jù)的子集的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的對應(yīng)子區(qū)域,選擇力學(xué)性能數(shù)據(jù)的子集。優(yōu)選該力學(xué)性能數(shù)據(jù)的子集可以代表改進(jìn)的抗CE性或者與改進(jìn)的抗CE性有關(guān),并因此微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的對應(yīng)子區(qū)域?yàn)樗x材料提供了抗CE性的理想微觀結(jié)構(gòu)。一旦選擇出了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)樹值的子區(qū)域,則由所選材料制造部件,該部件具有特征為微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)樹值的子區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。換言之,由所選材料制成的部件的微觀結(jié)構(gòu)的平均微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)例如平均晶粒尺寸在微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的所選且相應(yīng)的子區(qū)域中。照此,相比于由相同的所選材料(但微觀結(jié)構(gòu)在所選且相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值子區(qū)域之外)制成的類似或等同的部件,所制造的部件具有改進(jìn)的抗CE性。在一些例子中,在來自所選材料的實(shí)際材料樣品的原位單軸加載過程中,實(shí)施了中子衍射;并且中子衍射使得能夠獲得所選材料的單晶剛度數(shù)據(jù)。此外,通過中子衍射所得的單晶剛度數(shù)據(jù)可以在單軸加載的CPFEM和/或納米壓痕模擬中使用。綜上所述,優(yōu)選,結(jié)合微觀力學(xué)模擬(molding)和納米壓痕試驗(yàn)?zāi)M提供一種用于CE環(huán)境的優(yōu)化的材料設(shè)計(jì)和部件制造的方法。優(yōu)選通過設(shè)備設(shè)計(jì)、通過使用更抗蝕的材料等,可以減輕CE。此外,增加材料的硬度可以增加其抗空蝕性;然而,可塑性降低與這樣的硬度的增加有關(guān)。因此,本申請公開內(nèi)容提供了一種用于優(yōu)化所選的材料的微觀結(jié)構(gòu),以增強(qiáng)材料的抗空蝕性的方法。參考圖2-4,顯示所選材料的一系列的說明性微觀結(jié)構(gòu)。例如,圖2表示了所選材料的參考數(shù)字(referencenumeral)10的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。優(yōu)選該等軸結(jié)構(gòu)可以存在于對于各種平均晶粒尺寸例如0.1-50微米(μm)的晶粒尺寸范圍的所選材料中,。在可選方案中,圖3中參考數(shù)字20表示了織構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)。如該圖中所示,存在伸長晶粒,并且所述伸長晶粒通過所選材料的特定軋制策略制造,并具有尺寸和/或長寬比的范圍。圖4a提供了具有數(shù)個(gè)晶粒32和其之間晶界34的等軸晶粒微觀結(jié)構(gòu)30a。從圖4a優(yōu)選,在晶粒32中或晶界34處不存在第二相析出物。在可選方案中,圖4b提供了微觀結(jié)構(gòu)30b,其具有數(shù)個(gè)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具有例如圓形、立方形等的形狀。圖4c表示了微觀結(jié)構(gòu)30c,其中,晶粒32在其內(nèi)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可以是圓筒形、橢圓形等,并且晶界上的析出物34b與析出物38是相同類型或不同類型。最后,圖4d表示微觀結(jié)構(gòu)30d,其中,晶粒32在其內(nèi)具有針狀或針形的第二相析出物39。本領(lǐng)域技術(shù)人員優(yōu)選該第二相析出物的形成、形狀、數(shù)量密度等可以通過合金添加劑、特定合金的熱機(jī)械處理、在材料上施加涂層等進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)向圖5,根據(jù)本文中公開的一個(gè)以上實(shí)施方式的方法以參考數(shù)字40顯示。方法40包括:選擇步驟400處的材料。通常選則材料用于特定的工業(yè)用途:存在液態(tài)環(huán)境并且CE已知為該材料可能的磨損機(jī)理。該材料通常為金屬材料,例如鋼合金、不銹鋼合金、鎳合金、鈷合金、鈦合金、鋁合金、錳合金、銅合金等。在步驟402處,由所選材料制造單軸加載樣品,例如拉伸樣品。在步驟404處,該樣品經(jīng)受單軸加載,例如該樣品經(jīng)受1%至10%的應(yīng)變。在一些例子中,該樣品經(jīng)受約3%的應(yīng)變。此外,為了在加載前觀察樣品表面的微觀結(jié)構(gòu),樣品表面可以進(jìn)行也可以不進(jìn)行拋光直至非常高的表面清晰度(resolution)或平滑度(例如,低至50nm),然后進(jìn)行化學(xué)蝕刻。在樣品進(jìn)行單軸加載后,在步驟406處實(shí)施樣品表面的原子力顯微(AFM)形貌測定,并且在步驟408處使用AFM形貌結(jié)果進(jìn)行表面應(yīng)變分析。例如,圖6提供了一個(gè)在樣品表面上沿晶粒通過AFM測定的表面形貌的截面分析的例子。另外,圖7提供了具有由于孿晶(twining)引起的表面位移‘h’、且由‘x’方向上的AFM剖面線形貌(linesectiontopography)確定或者測定的該晶粒的孿晶部分的橫截面的示意圖。tx和ttrue分別是x方向上的孿晶寬度即投影孿晶寬度(projectedtwinwidth),和沿孿晶平面法線方向(normaldirection)的孿晶厚度。通過圖7所示的示意圖,位移的孿晶平面的數(shù)量‘N’由測量表面梯級(step)‘h’和投影在表面的法線ez上的孿晶伯氏矢量‘b’按照如下關(guān)系獲得:位移的孿晶平面的數(shù)量N可與基于投影孿晶厚度tx、孿晶平面法線n和晶面間距(interplanespacing)d按照如下關(guān)系的替代推導(dǎo)對比:優(yōu)選如果h<<tx,則真實(shí)的投影孿晶厚度tx近似等于表觀的(即測量的)投影孿晶厚度tx。因此,使用AFM截面形貌數(shù)據(jù)可以確定N的兩個(gè)可選推導(dǎo)值,以及獲得這兩者之間的差異。例如,兩種不同地推導(dǎo)的孿晶平面的數(shù)量N之間的差異在10%以內(nèi),優(yōu)選為5%以內(nèi),更優(yōu)選為2%以內(nèi)。如此,AFM的測量過程是穩(wěn)定的(robust),并且可以被用于計(jì)算存在于步驟404處經(jīng)受單軸加載的樣品的晶粒中的一系列平面滑移帶的滑移位錯(cuò)的數(shù)量。如圖8中所闡釋,AFM形貌也可以用于沿著特定的AFM剖面線(sectionline),對使用單個(gè)表面梯級(individualsurfacesteps)的特定變形體系的剪切進(jìn)行計(jì)算。沿著特定長度(例如Xmn)的特定AFM剖面線,通過辨認(rèn)涉及各表面梯級的特定變形體系(例如α),以及對每個(gè)變形體系的整體高度變化進(jìn)行積分,通過上述式1可以算出沿著剖面線Xmn產(chǎn)生的單個(gè)位移的數(shù)量。進(jìn)一步地,如果相比于長度Xmn,穿過Xmn的整體高度變化很小,每個(gè)變形體系的平均剪切(γ)通過下式提供:優(yōu)選,如圖6中所闡釋,可以通過AFM形貌掃描或確定在特定的微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域中變形體系引起的表面高度變化。也可以在待檢測的整個(gè)表面區(qū)域進(jìn)行剖面線分析,該整個(gè)表面區(qū)域反過來可被等分為特定數(shù)量的分區(qū)。例如,各分區(qū)具有預(yù)定義的尺寸,例如2.5μm×2.5μm。如此,對于各分區(qū),可以依據(jù)上述關(guān)系可以計(jì)算剪切應(yīng)變,然后用于制作整個(gè)區(qū)域的應(yīng)變圖。如下所述地,可將該應(yīng)變圖與CPFEM結(jié)果進(jìn)行比較。在一些例子中,盡管并不需要,但在步驟410處測試樣品的原位單軸加載期間可以實(shí)施中子衍射。在可選方案中,可以實(shí)施單獨(dú)的單軸加載運(yùn)行或試驗(yàn),其中在樣品上進(jìn)行中子衍射。在這樣的例子中,本領(lǐng)域人員已知,當(dāng)實(shí)施中子衍射時(shí),單晶剛度數(shù)據(jù)來源于中子衍射結(jié)果。在步驟412處,如圖9所示,以用于單軸加載模擬的有限元模擬(FEM)樣品的示意性例子,實(shí)施所選材料的單軸加載的CPFEM。CPFEM被用于模擬作為應(yīng)力的函數(shù)的(hkl)晶格應(yīng)變的彈性-塑性響應(yīng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知,優(yōu)選術(shù)語或命名(hkl)是指用于所選材料的晶體結(jié)構(gòu)的米勒指數(shù)。CPFEM可預(yù)測由于取向依賴的屈服順序(orientation-dependentyieldsequence)和晶界不相容引起的晶粒間應(yīng)變的演化。CPFEM還可預(yù)測由單獨(dú)相中不同的臨界分切應(yīng)力引起的相間應(yīng)變。塑性應(yīng)變率由整個(gè)滑移系的滑移率之和確定,其適宜通過對它們各自的滑移方向和滑移面法線的張量積進(jìn)行加權(quán)而獲得。對于特定的滑移系,該滑移率通過假設(shè)的流動法則與分切應(yīng)力關(guān)聯(lián),例如,冪定律形式和經(jīng)典皮爾斯-阿薩羅-內(nèi)德勒曼模型(Peirce-Asaro-Needlemanmodel)。最后,滑移強(qiáng)度受硬化公式影響,可能取決于整個(gè)滑移體系的滑移應(yīng)變或可能不取決于整個(gè)滑移體系的滑移應(yīng)變。在步驟414處,實(shí)施所選材料的單軸加載CPFEM的表面應(yīng)變表征。然后,將步驟414中的表面應(yīng)變表征的結(jié)果,與步驟408處和步驟420處的AFM形貌的表面應(yīng)變分析進(jìn)行比較。在該對比未落入預(yù)定的公差的情況下,該過程返回步驟412,其中,使用更新或修改后的模型參數(shù)執(zhí)行CPFEM單軸加載。該模型參數(shù)可以包括模擬參數(shù)例如邊界條件、網(wǎng)目尺寸等,和/或CPFEM參數(shù)例如彈性剛度、硬化參數(shù)、滑移強(qiáng)度和/或應(yīng)力指數(shù)。直至來自步驟414處的CPFEM的表面應(yīng)變表征與來自步驟408處實(shí)施AFM形貌的表面應(yīng)變分析在預(yù)定公差內(nèi)一致為止,該循環(huán)完成,此時(shí)該過程進(jìn)行至步驟427。在步驟422處,選擇微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值,并且在步驟424處實(shí)施具有所選的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的所選材料的納米壓痕CPFEM。步驟424通過使用在一次加載和卸載循環(huán)期間獲得的壓痕加載-位移數(shù)據(jù)模擬納米壓痕,以獲得具有特定微觀結(jié)構(gòu)的所選材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù),例如硬度、彈性模量、延展性等。圖10中顯示了一個(gè)典型的在CPFEM模擬期間獲得的加載相對于位移的示意圖,其中參數(shù)‘P’表示加載,并且‘h’表示相對于初始未變形表面的位移。由于硬度壓痕形成,在加載期間的變形被假定同時(shí)為彈性的和塑性的。在卸載期間,假定僅有彈性位移恢復(fù),并且,卸載曲線的彈性性質(zhì)有助于CPFEM納米壓痕分析。如此,優(yōu)選,不對在卸載期間為塑性恢復(fù)的材料實(shí)施CPFEM納米壓痕。如圖11所示,通過圖提供了最大負(fù)荷Pmax、最大位移hmax、和定義為初始卸載階段期間卸載曲線的上部的斜率的剛度S=dP/dh。另一重要物理量為最終深度hf,其為模擬硬度計(jì)壓頭完全卸載并且材料的彈性變形恢復(fù)后的永久穿透深度。用于測定硬度H和彈性模量E的過程基于如圖12示意性表示的卸載過程。物理量或變量hs通過如下關(guān)系確定:其中ε是基于硬度計(jì)壓頭的幾何形狀的常數(shù),例如對于圓錐沖頭,ε=0.72;對于在低深度下近似為球面的回轉(zhuǎn)拋物面,ε=0.75;對于平面沖頭,ε=1.00。使用上述關(guān)系對接觸周邊的垂直位移進(jìn)行近似,根據(jù)圖12所示的幾何形狀可得出,沿著壓頭和試樣之間進(jìn)行接觸的方向的深度hc=hmax-hs等同于:使F(d)為描述從其尖端回來距離d處的壓頭的投影或橫截面積的“面積函數(shù)(areafunction)”,接觸面積通過如下關(guān)系提供:A=F(hc)(6)面積函數(shù)也被稱為壓頭形狀函數(shù),其必須通過獨(dú)立測量進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn),以將來自非理想壓頭形狀的偏差納入計(jì)算。一旦確定了接觸面積,可以通過如下關(guān)系估算硬度:彈性模量由其與接觸面積和測定卸載剛度(S)的關(guān)系通過如下關(guān)系推斷:其中,Eeff為由下式定義的有效彈性模量:優(yōu)選,有效彈性模量考慮到了在試樣和壓頭兩者上發(fā)生的彈性位移。在步驟426處,對于一個(gè)所選的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的CPFEM納米壓痕,獲得硬度、彈性模量和/或延展性。在步驟428處,該過程確定對于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的整個(gè)范圍,納米壓痕的CPFEM是否已經(jīng)完成或者是否已經(jīng)模擬。一旦對于所選微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的整個(gè)范圍,CPFEM納米壓痕已經(jīng)完成,則該過程進(jìn)行至步驟430,其中,選擇與理想的硬度、彈性和/或延展性數(shù)值的子集對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的理想子區(qū)域,并存儲在數(shù)據(jù)庫中。最后,在步驟432處,由所選材料制造部件,該部件的微觀結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)在步驟430中選擇的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的理想子區(qū)域內(nèi)。在一些例子中,可對于一種以上類型的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值實(shí)施CPFEM納米壓痕。例如可對以下實(shí)施CPFEM納米壓痕模擬:所選材料的平均晶粒尺寸的范圍、晶粒平均取向分布的范圍、在微觀結(jié)構(gòu)中是否存在一種以上的第二相析出物、可能存在的第二相析出物的類型、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狀分布、第二相析出物的平均粒子數(shù)密度等。優(yōu)選,這樣的對于多種微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的CPFEM納米壓痕模擬,可以限制或可能消除對具有不同微觀結(jié)構(gòu)的所選材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定的必要。換言之,本文所公開的方法可以明顯地改進(jìn)用于在空蝕敏感環(huán)境中使用的部件的設(shè)計(jì)和制造。為更好的說明本公開的教導(dǎo),但并不以任何方式限定其范圍,下文提供了本文中所公開方法的一個(gè)以上實(shí)施例。選擇316不銹鋼合金用于試驗(yàn)和模擬。316合金的冷軋板的初始微觀結(jié)構(gòu)通過電子背散射衍射(EBSD)反向探尋而獲得。冷軋板的平均晶粒尺寸為近似10微米,并且是使用四個(gè)微壓痕標(biāo)記,標(biāo)出或確定出拉伸樣品的測量中心(gaugecenter)內(nèi)用于測定的目標(biāo)區(qū)域。在樣品上進(jìn)行單軸加載至約3%總應(yīng)變的程度,并且使用放大倍率2000x的顯微鏡清楚地顯示和觀察滑移帶。實(shí)施AFM表面形貌和剖面線分析,從如圖6所示的曲線中獲得表面高度變化。由晶體滑移導(dǎo)致的表面高度變化在10微米以內(nèi)。位錯(cuò)滑移的數(shù)量N使用表達(dá)式(1)確定,其也被用于檢測AFM形貌分析的精確度。此外,參考圖7和8,樣品表面的剪切應(yīng)變使用上述的方法確定。已知316合金具有在<110>{111}滑移族內(nèi)具有12個(gè)滑移系的面心立方(FCC)晶體結(jié)構(gòu)。316合金的晶體參數(shù)為a=0.365nm,并且伯氏矢量通過辨認(rèn)與沿著AFM剖面線長度Xmn的各個(gè)表面梯級相關(guān)的體系,并且對各體系的整體高度變化進(jìn)行積分,通過關(guān)系式(1)計(jì)算沿線Xmn發(fā)生的單個(gè)位錯(cuò)的數(shù)量。如上所述,在被均分為100個(gè)分區(qū)的整個(gè)表面區(qū)域進(jìn)行剖面線分析,各分區(qū)規(guī)格為2.5μm×2.5μm。對于各分區(qū),計(jì)算依據(jù)式(3)的剪切應(yīng)變,然后用于形成整個(gè)區(qū)域的應(yīng)變圖。使用如圖9闡釋的FEM樣品,也進(jìn)行316合金的CPFEM單軸加載,獲得CPFEM模擬的剪切應(yīng)變圖和沿著加載方向的應(yīng)力。圖9所示的FEM樣品模擬為含有約500個(gè)立方晶粒的多晶聚集體的體系,其在中心測量部位(gaugesection)具有隨機(jī)紋理,并且在各晶粒中具有2x2x2的網(wǎng)格或者相當(dāng)于8個(gè)元素。假設(shè)各晶粒中的元素具有模擬真實(shí)合金體系中的晶粒的立方對立方(cube-on-cube)取向的晶體取向。測量部位的兩側(cè)的區(qū)域通過米塞斯彈性準(zhǔn)則控制,以節(jié)省計(jì)算成本。經(jīng)計(jì)算的(hkl)晶格應(yīng)變是在(hkl)晶面法線與衍射矢量Q平行的晶粒的子集中,投影的彈性變形的體積平均。為改進(jìn)CPFEM單軸加載模擬的統(tǒng)計(jì),晶粒取向被賦予了相對各<hkl>方向?yàn)?度以內(nèi)的差異,以保證總計(jì)500個(gè)晶粒的1%至2%之間可以選出各<hkl>方向。輸入的用于CPFEM的材料參數(shù)包括C11、C12和C44的剛度數(shù)值,其為立方材料的單晶彈性常數(shù)。此外,還提供應(yīng)力指數(shù)‘n’、初始硬化模量h0、初始滑移強(qiáng)度τ0、飽和滑移強(qiáng)度(saturationslipstrength)τs、潛在硬化參數(shù)q。優(yōu)選,滑移強(qiáng)度τ0通過泰勒因子與多晶的微觀屈服強(qiáng)度相關(guān),對于FCC材料,泰勒因子為3。CPFEM單軸加載預(yù)測室溫下的臨界分切應(yīng)力約為150兆帕(MPa)。該模擬還可以證明在晶粒間應(yīng)變的演化中潛在硬化行為起到了重要作用。然而考慮到對于316合金已知并未發(fā)生顯著硬化,選擇了其他塑性參數(shù)用于擬合如圖12a和12b所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以下表1表示了一組塑性參數(shù)。表1c11(GPa)c12(GPa)C44(GPa)τ0(MPa)τs(MPa)nh0q204.8136.6126.494147502201.0為捕捉在拉伸加載之后SU316的表面變形行為,并與來自AFM的方法得出的表面應(yīng)變相比較,可使用另一拉伸模型,其具有基于由EBSD測量獲得微觀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維(quasi-3D)網(wǎng)目。該網(wǎng)目通過沿直線晶界軌跡的分布節(jié)點(diǎn)、封閉的晶粒平面網(wǎng)目、和向第三維度擴(kuò)展10微米生成。該第三維度被均分為10個(gè)元素。如此,在近似/模擬中,所有的晶界均垂直于表面。為再現(xiàn)疏松材料中的約束,模擬的微觀結(jié)構(gòu)被置于一個(gè)類似于筆的長方形容器中。如上所述,該容器使用米塞斯彈性模型模擬以增加計(jì)算效率。晶體取向依據(jù)EBSD測定通過指定局部材料坐標(biāo)分配在模擬微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)格片(patch)上。在微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)格片的一側(cè)實(shí)施拉伸加載。在圖13a和13b中,將通過CPFEM模擬計(jì)算的整個(gè)滑移系的累積剪切應(yīng)變∑αγα和AFM形貌分析進(jìn)行比較。在圖13a中標(biāo)記0.28的高亮的部分、在圖13b中標(biāo)記0.33和0.28的高亮的部分表示應(yīng)變集中嚴(yán)重的區(qū)域,同時(shí)顯示了CPFEM模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致程度。在圖13b中,通過AFM在變形后不能清楚觀察到滑移痕跡的晶粒中并未對應(yīng)變分布進(jìn)行描繪。當(dāng)?shù)竭_(dá)微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)格片邊界時(shí),模擬中的源自疏松材料的邊界效應(yīng)可能導(dǎo)致兩種方法之間不良的一致性。當(dāng)對比顯示模擬和實(shí)驗(yàn)的一致后,對于微觀結(jié)構(gòu)范圍進(jìn)行所選材料的CPFEM納米壓痕。CPFEM納米壓痕模擬可提供數(shù)個(gè)硬度、彈性和/或延展性數(shù)值作為不同微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和參數(shù)數(shù)值的函數(shù),然后其允許選擇已知能夠提供增高的抗空蝕性的硬度、彈性和延展性數(shù)值的理想子集。伴隨硬度、彈性和/或延展性數(shù)值的子集的選擇,還選擇出微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值的對應(yīng)子區(qū)域。換言之,確定了316合金的微觀參數(shù)的唯一集合或子區(qū)域。優(yōu)選,相比由具有落在通過CPFEM納米壓痕模擬確定的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的子區(qū)域之外的微觀結(jié)構(gòu)的316合金制造的部件,所述部件將具有增加的抗CE性。關(guān)于模擬,CPFEM是在如圖14所示的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。該計(jì)算機(jī)的示意性圖示顯示為參考數(shù)字50,計(jì)算機(jī)50具有處理器單元500。處理器單元500可包括存儲器502、軟件模塊504、永久存儲器506和RAM存儲器508??梢岳斫猓?jì)算機(jī)50可以實(shí)施本文所公開的CPFEM模擬并且顯示圖形化表示。可以理解,上述實(shí)施方式和實(shí)施例僅用于說明,并非對發(fā)明范圍的任何方式的限定。變更調(diào)整等對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的,且仍歸屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。如此,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求或其等同物限定。當(dāng)前第1頁1 2 3 
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