一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法技术

本发明专利技术公开了一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法，属于金属轧制技术领域。包括以下步骤：首先，选取异质金属轧制工艺参数，采用全因子试验方案采集相关试验数据；其次，将轧制工艺参数引入单向流动的菲克第二定律扩散方程，并应用玻尔兹曼变换法设定中间变量，使偏微分方程转化为常微分方程以求得方程通解；进而，根据异质金属轧制复合界面元素扩散浓度和扩散性质，设定相应的初始条件、边界条件和附加初始条件；然后，确定复合界面过渡区元素扩散模型的浓度分布方程，使用非线性最小二乘法—麦夸特法拟合求解元素扩散模型的浓度分布方程参数并进行模型精度验证。本发明专利技术计算过程方便快捷，通用性强，可提高产品生产质量和成型精度。产质量和成型精度。产质量和成型精度。

【技术实现步骤摘要】
一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法


[0001]本专利技术属于金属轧制
，具体为一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法。
技术背景
[0002]随着现代工业的持续发展，传统的金属和合金材料已无法满足工业需求。而异质金属复合材料由两种或两种以上的金属材料组合而成，不锈钢/碳钢复合材料兼顾基底和覆层材料的优点，最大限度实现了异质材料性能的互补。加之可观的工程成本、优异的综合性能以及选材的灵活性、产品的功能性等方面的潜在优势，使金属复合材料表现出巨大的吸引力和良好的发展前景，在航空航天、石油化工、海洋工程、核能核电等高端国防制造领域得到广泛应用。异质金属复合技术主要由机械连接和冶金结合连接两种，爆炸焊接、堆焊、热轧复合等冶金结合工艺因具有更高的结合强度而备受关注。而热轧复合工艺具有结合界面完整、生产效率高、安全环保和适用大批量生产等优势，是目前异质金属复合材料主要的生产方法。
[0003]复合产品的质量很大程度受界面冶金结合性能的影响，而界面性能优劣又取决于变形温度、应变速率，压下率、保温时间等工艺参数的选取。实际生产过程中的涉及的参数众多，往往无法兼顾各项指标，只能通过经验和大量实验适当调整参数。若工艺参数选取不合理，会导致热轧复合过程中产生很大的变形抗力，随着变形量的增大，加工硬化效应显著，致使变形过程更加艰难，甚至发生开裂破坏、流变失稳等现象。加之，由于各组分材料的金属流动性和协调变形行为存在显著差异，将严重影响金属复合材料的界面微观结构和力学性能，出现不同程度的界面塑性变形缺陷与金属间脆性化合物等，形成界面分层裂纹，降低工件的使用寿命，甚至使得整个工件报废失效。因此，优化异质金属轧制工艺参数，对于提高复合界面性能、提升经济效益具有重要意义。
[0004]目前主要通过构建计算过程复杂的复合材料本构模型、热加工图以及复合界面显微组织以及力学性能等复杂繁琐的测试和表征，才能提供最优加工路径，确定复合材料界面的实现良好冶金结合的工艺条件。然而，热轧复合过程的元素扩散行为是决定复合界面组织和性能的关键，不锈钢/碳钢复合材料界面附近同样存在明显的元素扩散区。其中碳的扩散行为导致脱碳层和渗碳层的形成，严重影响复合界面的力学性能和耐腐蚀性能；其他合金元素(铁、铬、镍)的扩散行为对提高复合界面的韧性和强化起着重要作用，这将直接影响在切削、锻造、轧制、弯曲、焊接和拉伸成形等后续工艺中的实用性。
[0005]综上，为了弥补上述异质金属轧制工艺参数选取过程复杂困难的不足，避免消耗大量的材料成本和人力成本，需要开发一种考虑复合近界面元素扩散模型的复合界面性能的分析计算方法，为实现异质金属轧制工艺和界面组织性能调控技术提供技术支撑。

技术实现思路

[0006]针对以上技术问题，本专利技术提供一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方
法，建立引入异质金属轧制工艺参数和变形时间的界面过渡区域元素浓度模型，预测轧制过程中复合近界面元素浓度值，节省前期预实验和选参的时间，降低生产成本，提高生产成品率。
[0007]一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法，包括以下步骤：
[0008]S1：确定v个异质金属轧制工艺参数，选取各个工艺参数范围及w个水平，设计v因素w水平的全因子试验方案，进行异质金属轧制试验并完成相关数据采集；
[0009]S2：建立引入轧制工艺参数的菲克第二定律扩散方程：
[0010]异质金属轧制过程中，复合近界面元素浓度具有非稳态扩散单向流动特征，根据菲克第二定律，建立引入轧制工艺参数的菲克第二定律扩散方程如下；
[0011][0012]式(1)中，ρ表示某元素浓度；D表示某元素扩散系数；X
ij
为轧制工艺参数i因素j水平值，表示有效参考轧制工艺参数；Xi表示轧制工艺参数；K
i
表示轧制工艺参数影响指数；x表示某元素扩散距离；t表示轧制过程变形时间；
[0013]S3：偏微分方程通解计算：
[0014]采用玻尔兹曼(Boltzmann)变换，设定中间变量使偏微分方程转化为常微分方程，进而求解常微分方程通解；
[0015]S4：初始条件和边界条件设定：
[0016]在步骤3的基础上，根据异质金属轧制复合界面元素扩散浓度的设定初始条件和边界条件，满足偏微分方程具有定解的条件：
[0017]初始条件
[0018]边界条件
[0019]式(2)～(3)中，ρ1、ρ2分别为复合界面两侧某元素初始浓度值；
[0020]S5：附加初始条件添加：
[0021]由于异质金属轧制复合界面处扩散通量不变，而界面两侧的扩散系数不同，则需要添加额外边界条件：
[0022][0023]式中，D1、D2分别为复合界面两侧某元素扩散系数，ρ3、ρ4分别为复合界面两侧某元素浓度值；
[0024]S6：元素扩散模型确定
[0025]在步骤S3、S4、S5的基础上，结合误差函数的性质和定义，确定异质金属轧制复合界面过渡区元素扩散模型的浓度分布方程如下：
[0026][0027][0028][0029][0030]式(5)～(8)中，ρ3、ρ4分别为复合界面两侧某元素浓度值，A为变形过程中复合材料中心面元素浓度，B1、B2分别为复合界面两侧某元素浓度变化幅值，D1、D2分别为复合界面两侧某元素扩散系数，M
i
、P
i
表示复合界面两侧第i个轧制工艺参数的影响指数；
[0031]S7：模型参数确定：
[0032]引入非线性最小二乘法—麦夸特算法(Levenber
‑
Marquardt)对不同工艺参数条件下元素浓度进行拟合，确定元素扩散模型的浓度分布方程参数；
[0033]S8：模型精度验证：
[0034]进一步，所述步骤S1中，确定v个异质金属轧制工艺参数，选取各个工艺参数范围及w个水平，设计v因素w水平的全因子试验方案，其中v个工艺参数、工艺参数范围及w个水平是根据金属种类、形状以及厚度要求按照实际生产经验而确定。
[0035]再进一步，所述步骤S1中，进行异质金属轧制试验并完成相关数据采集时，对待轧制的异质金属组坯之前，去除金属轧制结合面的表面污物，露出内部新鲜金属；完成组坯后，并对端面进行打磨，形成新鲜金属表面，再用酒精擦拭，保证表面清洁。
[0036]更进一步，所述步骤S1中，进行异质金属轧制试验时，对完成轧制的试样立即进行水淬处理以保留高温变形后的复合界面元素扩散情况，采用线切割沿径向方向切割得到异
质金属轧制复合界面，依次使用目数增大的砂纸对截面打磨，使用金刚石研磨膏在金相试样抛光机上抛光至镜面后完成制样；使用仪器测试不同工艺参数的复合界面元素分布，完成相关数据采集。
[0037]更进一步，所述步骤S3中，偏微分方程通解求解的具体方法为：
[0038]首先，计算元素浓度对元素扩散时间的一阶偏导和元素浓度对元素扩散距离的二阶偏导...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定v个异质金属轧制工艺参数，选取各个工艺参数范围及w个水平，设计v因素w水平的全因子试验方案，进行异质金属轧制试验并完成相关数据采集；S2：建立引入轧制工艺参数的菲克第二定律扩散方程：异质金属轧制过程中，复合近界面元素浓度具有非稳态扩散单向流动特征，根据菲克第二定律，建立引入轧制工艺参数的菲克第二定律扩散方程如下；式(1)中，ρ表示某元素浓度；D表示某元素扩散系数；X
ij
为轧制工艺参数i因素j水平值，表示有效参考轧制工艺参数；Xi表示轧制工艺参数；K
i
表示轧制工艺参数影响指数；x表示某元素扩散距离；t表示轧制过程变形时间；S3：偏微分方程通解计算：采用玻尔兹曼变换，设定中间变量使偏微分方程转化为常微分方程，进而求解常微分方程通解；S4：初始条件和边界条件设定：在步骤S3的基础上，根据异质金属轧制复合界面元素扩散浓度设定的初始条件和边界条件，满足所述偏微分方程具有定解的条件；初始条件边界条件式(2)～(3)中，ρ1、ρ2分别为复合界面两侧某元素初始浓度值；S5：附加初始条件添加：由于异质金属轧制复合界面处扩散通量不变，而界面两侧的扩散系数不同，则需要添加额外边界条件；式(4)中，D1、D2分别为复合界面两侧某元素扩散系数，ρ3、ρ4分别为复合界面两侧某元素浓度值；S6：元素扩散模型确定：在步骤S3、S4、S5的基础上，结合误差函数的性质和定义，确定异质金属轧制复合界面过渡区元素扩散模型的浓度分布方程如下：
式(5)～(8)中，ρ3、ρ4分别为复合界面两侧某元素浓度值，A为变形过程中复合材料中心面元素浓度，B1、B2分别为复合界面两侧某元素浓度变化幅值，D1、D2分别为复合界面两侧某元素扩散系数，M
i
、P
i
表示复合界面两侧第i个轧制工艺参数的影响指数；S7：模型参数确定：引入非线性最小二乘法—麦夸特算法对不同工艺参数条件下元素浓度进行拟合，确定元素扩散模型的浓度分布方程参数；S8：模型精度验证。2.根据权利要求1所述的一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法，其特征在于，所述步骤S1中，确定v个异质金属轧制工艺参数，选取各个工艺参数范围及w个水平，设计v因素w水平的全因子试验方案，其中v个工艺参数、工艺参数范围及w个水平是根据金属种类、形状以及厚度要求按照实际生产经验而确定。3.根据权利要求1所述的一种异质金属轧制的复合近界面元素扩散建模方法，其特征在于，所述步骤S1中，进行异质金属轧制试验并完成相关数据采集时，对待轧制的异质金属组坯之前，去除金属轧制结合面的表面污物，露出内部新鲜金属；完成组坯后，并对端面进行打磨，形成新鲜金属表面，再用酒精擦拭，保证表面清洁。
4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅美荣，郭星星，邬莹，陈新毅，王建梅，楚志兵，张帆，拓雷锋，李海斌，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：