一种多性能耦合寻优的钢材优化方法技术

本发明专利技术属于钢材设计领域，具体涉及一种多性能耦合寻优的钢材优化方法。所述目标钢材优化方法针对高强度、高韧性和易焊接耐腐蚀钢材料设计，得到一种多性能目标要求下耐腐蚀钢中成分组成元素比例的快速寻优方法。所述优化方法根据服役环境提取目标钢材性能指标和元素的种类；采用多性能耦合模型计算目标钢材各性能；采用目标钢材的成分组成成本模型计算目标钢材的成分组成成本；根据目标钢材各性能和成分组成成本，获取目标钢材各性能和成分组成成本的权系数；获取目标钢材成分组成含量的最大取值范围；采用多目标寻优函数和寻优模型，计算得到基于合理成分组成成本的目标钢材的优化后的化学成分范围、组织参数和预期性能。

A Multi-Performance Coupled Optimizing Method for Steel

【技术实现步骤摘要】
一种多性能耦合寻优的钢材优化方法
本专利技术属于钢材设计领域，具体涉及一种多性能耦合寻优的钢材优化方法。所述目标钢材优化方法针对高强度、高韧性和易焊接耐腐蚀钢材料设计，得到一种多性能目标要求下耐腐蚀钢中成分组成元素比例的快速寻优方法。
技术介绍
耐腐蚀钢经常会同时要求材料具备良好的耐腐蚀性能、高的强度、良好的韧性、优异的焊接性能，保证材料服役寿命、结构安全、使用方便。以货车车体耐候钢为例，世界重载铁路行业发展迅速，一方面要求运输重载化和车身轻量化，减少车体自身的重量，进而提高货运运输能力，提高铁路输送效率，并且可以达到节能的目的，因此，需要开发更为优质的材料，例如高强度、高耐磨性、高延展性，以此实现车体轻量化。另一方面，要求延长车辆的耐腐蚀性能，提高车体使用寿命。开发新结构材料时，需要兼顾上述各项性能的组合，这给材料设计带来了难度。然而，现有的耐候钢存在强度不够高，延展性较差，耐腐蚀性能不好，服役寿命较短等不足。为了更好的实现车体轻量化、提高车辆服役寿命，设计开发更强耐腐蚀能力、更高强度和冲击韧性、易焊接的耐蚀钢是十分必要的。采用传统的材料优化方法，存在诸多困难：成分范围大，难以确定合理的化学成分设计区间，往往需要通过大量的正交试验才能进行优选，材料设计工作量大、设计周期长。材料设计开发中难以兼顾强度、冲击性能、焊接性能和耐蚀性能，尤其是耐复杂介质腐蚀性能。另一难题是，材料设计性能与成分组成成本控制的难题，在服役性能与成分组成成本选择之间，研发者抉择困难。成分组成化设计是材料设计的重要部分。为改善钢的耐腐蚀性能，需要在钢中添加特定的成分组成元素。各成分组成元素在钢中发挥作用不同，简单分述如下：C：C是间隙强化元素，对钢的间隙强化作用显著。加在亚共析钢中会使钢中渗碳体析出，增大钢材在腐蚀环境下的微区电位差，对钢的耐腐蚀性能不利。同时C影响钢的焊接性能、冲压性能和冲击韧性等。Cu：Cu在钢中既是固溶强化元素，在含量较高时会产生析出强化效果。在钢中加入0.2％～0.4％的Cu时，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都具有较普碳钢优越的耐腐蚀性能。Cu能在钢的表面及锈层中的富集，能促使钢阳极钝化，Cu还能在基体与锈层之间形成以Cu、P为主要成分的阻挡层，它与基体结合牢固，因而具有较好的保护作用。另外，Cu有抵消钢中S的有害作用的明显效果，钢中S含量愈高，成分组成元素Cu降低腐蚀速率的相对效果愈显著，一般认为这是由于Cu和S生成难溶的硫化物所致。P：P是间隙强化元素，但是会降低钢材的低温韧性。P也是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的成分组成元素之一，一般P含量在0.08％～0.15％时耐腐蚀性最佳。当P与Cu联合加入钢中时，显示出更好的复合效应。在大气腐蚀条件下，钢中的P是阳极去极化剂，它在钢中能加速钢的均匀溶解和Fe2+的氧化速率，有助于在钢表面形成均匀的α-FeOOH锈层，促进生成非晶态羟基氧化铁FeOx(OH)3-2x致密保护膜，从而增大了电阻，成为腐蚀介质进入钢基体的保护屏障，使钢内部免遭大气腐蚀。当P形成PO43-时还起到缓蚀的作用。Cr：Cr是固溶强化元素，其固溶强化能力较Mn稍低，对材料韧性影响不明显。Cr能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。耐候钢中Cr含量一般为0.4～1.0％(最高1.3％)。当Cr与Cu同时加入钢中时，效果尤为明显。有研究指出Cr含量提高利于细化α-FeOOH，当锈层/金属界面的α-FeOOH中Cr含量超过5％时，能有效抑制腐蚀性阴离子，特别是Cl-的侵入；同时，添加Cr元素还可以阻止干湿交替过程中，干燥时Fe3+向Fe2+的转化，从而提高钢的耐候性。但在Cl-含量较高的地区，添加Cr元素被认为是有害的。Mn：对耐腐蚀性的影响还没有一致认识，较多学者认为Mn能提高钢对海洋大气的耐腐蚀性，但对在工业大气中的耐腐蚀性没有什么影响。耐候钢中Mn含量一般为0.5％～2％。Si：Si是置换固溶强化元素，有利与提高钢材的屈服极限和强度。与其它元素如Cu、Cr、P、Ca配合使用可改善钢的耐候性，较高的Si含量有利于细化α-FeOOH，从而降低钢整体的腐蚀速率。Ni：是一种比较稳定的元素，Ni成分组成化还有利于提高钢材的低温冲击韧性。加入Ni能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性。大气暴露试验表明，当Ni含量在4％左右时，能显著提高海滨耐候钢的抗大气腐蚀性能。Al：Al是置换固溶强化元素，也可以与钢中的N形成AlN析出物，产生一定程度上的细晶强化和沉淀强化效果。Al主要在内锈层的尖晶石氧化物(Fe3O4)中，形成稳定的尖晶石型复杂氧化物(FeAl2O4)，使锈层具备阳离子选择性抑制Cl-的侵入。Si-Al成分组成化是近年来用于开发低成本的耐候钢。Mo：Mo是强碳化物形成元素，也是钢中固溶强化元素。钢中固溶的Mo水解为FeMoO4来抑制阳极反应，MoO42-离子使锈层具有阳离子选择性，有效抑制Cl-穿过，进而提高钢的抗Cl-腐蚀能力。当钢中含0.4％～0.5％Mo时，在大气腐蚀环境下(尤其是工业大气)钢的腐蚀速率可能降低二分之一以上。W：W是强碳化物形成元素，也是钢中固溶强化元素。W通过FeWO4来增加锈层极化电阻，抑制阳极反应。WO42-离子使锈层具有阳离子选择性，有效抑制Cl-穿过，进而提高钢的抗Cl-腐蚀能力。值得注意的是，在不同酸性电解质和O2浓度条件下，W和Mo对钢材腐蚀的抑制作用强弱不同。Sb、Sn：Sb和Sn可以增加极化电阻，降低低成分组成钢在HCl溶液中的腐蚀速率，并可以在钢表面形成Sb2O5、SnO2保护层，高效抑制阴极腐蚀反应的进行。另外，Sb与Cu配合可以使低碳钢在用硫酸溶液腐蚀时，比单独含Sb或Cu钢具有更低的腐蚀速率。Sb和Sn对钢的强度作用较小，对低温韧性有不利影响。Co：Co是置换固溶强化元素，但对强度贡献不大。Co可以促进钢种C原子扩散，提高相变速率。近期一些研究认为，稳定锈层中富集Co能有效抑制Cl-侵入，提高钢在海洋大气下的耐腐蚀性。S：对耐候性起不良作用，作为残余元素其含量被控制在小于0.04％以下。Ca：微量Ca加入耐候钢中不仅可以显著改善钢的整体耐大气腐蚀性能，而且可以有效避免耐候钢使用时出现的锈液流挂现象。在耐候钢中加入微量Ca，使腐蚀界面的碱性增大，降低其侵蚀性，促进锈层转化为致密、保护性好的α-FeOOH。有研究指出指出，Ca与Si复合使用后效果更佳。稀土元素(RE)：RE元素是不含Cr，Ni耐候钢的添加元素之一。通常RE的加入量小于或等于0.2％。RE元素是极其活泼的元素，是很强的脱氧剂和脱硫剂，主要对钢起净化作用。RE元素的加入可细化晶粒，改变钢中夹杂物存在的状态，减少有害的大夹杂数量，降低腐蚀源点，从而提高钢的抗大气腐蚀性能。Nb：Nb元素可改变锈层形态，提高腐蚀电位，降低钢的腐蚀速率。研究表明，钢材经固溶铌处理后，在海洋性大气腐蚀环境下的抗蚀能力会得到提高。强度高于450MPa高强耐候钢(例如450MPa级别的Q450NQR1、600～700MPa级Domex系列耐候钢)，一般均选择添加Nb作为主要的微成分组成元素来细化晶粒并提高强度。有研究表明，Nb可显著抑制超级马氏体不锈钢13Cr中Mo和Cr的析出，防止本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多性能耦合寻优的钢材优化方法，其特征在于，所述优化方法包括如下步骤：S1，根据服役环境提取目标钢材性能指标和元素的种类；S2，采用多性能耦合模型计算目标钢材各性能；S3，采用目标钢材的成分组成成本模型计算目标钢材的成分组成成本；S4，根据目标钢材各性能和成分组成成本，获取目标钢材各性能和成分组成成本的权系数；S5，获取目标钢材成分组成含量的最大取值范围；S6，采用多目标寻优函数和寻优模型，计算得到基于合理成分组成成本的目标钢材的优化后的化学成分范围、组织参数和预期性能；S7，实验验证设计目标钢材的性能。

【技术特征摘要】
1.一种多性能耦合寻优的钢材优化方法，其特征在于，所述优化方法包括如下步骤：S1，根据服役环境提取目标钢材性能指标和元素的种类；S2，采用多性能耦合模型计算目标钢材各性能；S3，采用目标钢材的成分组成成本模型计算目标钢材的成分组成成本；S4，根据目标钢材各性能和成分组成成本，获取目标钢材各性能和成分组成成本的权系数；S5，获取目标钢材成分组成含量的最大取值范围；S6，采用多目标寻优函数和寻优模型，计算得到基于合理成分组成成本的目标钢材的优化后的化学成分范围、组织参数和预期性能；S7，实验验证设计目标钢材的性能。2.根据权利要求1所述的一种多性能耦合寻优的钢材优化方法，其特征在于，S2中所述多性能耦合模型包括耐候性系数模型、耐候性成分组成指标模型、单目标性能模型、屈服强度模型、抗拉强度模型、韧脆转变温度模型、碳当量模型和冷裂纹指数模型。3.根据权利要求2所述的一种多性能耦合寻优的钢材优化方法，其特征在于，所述钢材的屈服强度、抗拉强度和韧脆转变温度与影响目标钢材性能的组织因素选择铁素体晶粒尺寸、析出体积分数和析出粒子直径有关。4.根据权利要求1所述的一种多性能耦合寻优的钢材优化方法，其特征在于，S6...

【专利技术属性】
技术研发人员：余伟，王纯，刘敏，陈雨来，程知松，何春雨，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11