103-JMatPro介绍-通用钢-Kurt-20190417-v1.2

1May29,2020JMatPro通用钢模块介绍中仿智能科技207相变动力学计算01背景知识03热力学计算02基本操作04凝固计算05热物性能计算08其它计算及数据导出06机械性能计算3背景知识014通用钢背景知识钢：碳含量小于2.11%的铁碳合金钢的分类：碳钢，除了Si（一般Wt%≤0.4%）和Mn（一般Wt%≤0.8%）不含其他合金元素的钢合金钢，含有其他合金元素（Cr，Ni，Mo…），甚至非金属元素（B，N）的钢铁碳相图：研究铁碳合金的重要工具5铁碳相图铁的同素异晶状态：δ-Fe，γ-Fe，α-Fe铁素体（F/α):碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体奥氏体(A/γ):碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体渗碳体（Fe3C):铁碳合金中碳的主要存在形式通用钢分类：亚共析钢：w(C)=0.0218%-0.77%共析钢：w(C)=0.77%过共析钢：w(C)=0.77%-2.11%转变线：GS线（A3）：奥氏体转变线ES线（ACm）：碳在奥氏体中的溶解度曲线PSK线(A1)：奥氏体共析转变为珠光体(铁素体+渗碳体）6•热处理：将钢在固态下加热到预定温度，保温一定时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺•钢之所以能进行热处理，是由于钢在固态下具有相变，在固态下不发生相变的金属材料不能用热处理方式强化热处理热处理工艺示意图加热和冷却速度对临界温度的影响7基本操作028软件基本操作01数据库模块选择：MaterialTypes菜单02合金成分设置与数据管理903热力学计算10热力学计算Single温度固定、合金成分固定的相组成图StepTemperature温度变化、合金成分固定的相组成图StepConcentration温度固定、单合金成分变化的相组成图Profile温度固定、多合金成分变化的相组成图Isopleth温度变化、合金成分变化的等成分面计算计算“平衡相图”和“亚稳态相图”ThermodynamicProperties11相图计算理论基础CALPHAD：计算相图法根据热力学原理，体系在恒温恒压达到平衡的一般条件为：ijvvjivjiiiiiiiXXXXXXRTGX)(ln0mG摩尔吉布斯自由能：2.组元i在各相中的化学势相等1.体系的总吉布斯自由能G达到最小值Gmin12Single温度固定、合金成分固定的相图计算设置相图计算温度设置参与计算的相参数输入13Single计算结果合金成分信息合金相组成百分比显示信息计算设置信息图表及单位设置列表显示结果显示设置数据导出设置14StepTemperature温度变化、合金成分固定的相组成图设置计算温度范围设置参与计算的相参数输入15StepTemperature计算结果相组成随温度的变化各相中的元素变化计算结果显示固定温度下相组成(Single)各元素在相中的分布变化化学势、激活能、比热焓、吉布斯自由能、熵合金参数值随温度的变化各相参数值随温度的变化16PhaseBoundariesOptions——Showphaseboundariessearchcontrol显示信息17StepConcentration温度固定、单合金成分变化的相组成图设置计算温度范围设置参与计算的相参数输入设置成分变化元素及变化范围设置平衡元素设置单一平衡元素使用全体元素平衡18StepConcentration计算结果相组成随元素含量的变化各相中的元素变化计算结果显示各元素在相中的分布变化固定元素含量下相组成化学势、激活能、比热焓、吉布斯自由能、熵合金参数值随元素的变化各相参数值随元素的变化19Profile温度固定、多合金成分变化的相组成图Numberofintervals:设置计算数据点数参数输入Elementvariation:设置元素变化范围Allowdifferentstart:允许更改起始成分Setendfromsavedcompo:以保存的成分作为结束成分20Profile计算结果查看相组成随元素含量的变化选择不同元素21Isopleth温度变化、合金成分变化的等成分面计算设置计算温度范围设置参与计算的相参数输入设置成分变化元素及变化范围设置平衡元素22IsoplethOptions——Allowadvancedoptionsinisopleth坐标轴反向防止相边界超出交点平滑不稳定相边界允许不收敛相边界计算23Isopleth计算结果相区/相边界捕捉设置24Single计算结果相区搜索模式设置相筛选定位目标区域neutral:无限制present:存在notpresent:不存在25凝固计算0426凝固计算SolidificationPhasesandProperties计算凝固非平衡冷却过程中的相变以及材料性能27凝固计算理论基础𝐶𝑠=𝑘𝐶01−𝑓𝑠𝑘−1𝑓𝑠=1−𝑇𝑓−𝑇𝑇𝑓−𝑇𝐿1𝑘−1前提假设固相中的溶质扩散可以被忽略液相中的溶质扩散非常快，以至于扩散完全固相分数固相中合金成分Scheil-Gulliver模型28凝固计算理论基础材料性能计算1.相组成计算非平衡条件下，Scheil-Gulliver模型2.基于每一相的合金成分计算该相的相关性能0(())vviiijijijiijivPxPxxxxtIIIsPxPxPPF3.根据材料的相组成及每个相的性能利用混合定律计算出材料的整体性能29PhasesandProperties凝固过程相组成及热物性能计算凝固完成时的晶粒尺寸最高计算温度设置参数输入冷却速率设置考虑冷却速度对凝固过程中相转变的影响30PhasesandProperties计算结果31热物性能计算0532热物性能计算Thermo-PhysicalProperties基于平衡相图计算热物性能Dynamic热物性能计算ExtendedGeneral热物性能拓展StackingFaultEnergy堆垛层错能计算MagnetoPermeability磁导率计算33热物性能计算理论基础材料性能计算1.基于CALPHAD方法计算平衡相组成2.基于每一相的合金成分计算该相的相关性能0(())vviiijijijiijivPxPxxxxtIIIsPxPxPPF3.根据材料的相组成及每个相的性能利用混合定律计算出材料的整体性能iiieioiimxlogxRTGxGexG34Dynamic热物性能计算在热力学计算的基础上进行可载入保存的数据或开始新的计算支持的热力学计算形式：StepTemperatureStepConcentrationProfile35Dynamic计算结果36ExtendedGeneral热物性能拓展设置热处理温度此温度以下的相组成均与此温度时相同设置温度上限设置温度步长设置参与计算的相37ExtendedGeneral计算结果计算结果显示随温度变化的相组成在选定的温度以下相组成相同38ExtendedGeneral计算结果计算结果显示随温度变化的热物性能即使相组成相同，但是由于不同温度下纯组元的性能不同，造成材料整体性能不同39StackingFaultEnergy堆垛层错：实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷面心立方（FCC）体心立方（BCC）密排六方（HCP）堆垛顺序发生差错40StackingFaultEnergy堆垛层错能计算参数设置设置需要计算的温度上限选择可能出现的相41StackingFaultEnergy计算结果42Magneticpermeability磁导率计算室温硬度:矫顽力Hc；与硬度相关VF铁素体体积分数43Magneticpermeability计算结果44机械性能计算0645机械性能计算MechanicalPropertiesJominyHardenability淬透性计算HighTemp.Strength高温强度计算FlowStressAnalysis流动应力分析FlowStressperPhase各相流动应力分析FatigueRelated疲劳分析TemperedHardness回火硬度计算46JominyHardenabilityJominy法•淬透性：钢在一定条件下淬火时获得马氏体组织深度的能力•淬火后的钢，不仅表面而且在一定深度内也有不同程度的硬化•测定淬透性的方法：末端淬火试验法（Jominy法）•端淬曲线47JominyHardenability理论基础冷却速率计算（Kirkaldy&Venugopolan1984）𝑇𝑐𝑜𝑜𝑙𝑟𝑎𝑡𝑒=−(𝑇𝑎−297)4𝜃𝜋𝑥2𝜙3exp(−𝜙2)𝜙=𝜋2(𝑇−297𝑇𝑎−297)+0.4406𝑇−297𝑇𝑎−2973.725其中维氏硬度计算（Honeycombe1980andKirkaldy&Venugopolan1984）𝑉𝑃𝑁=𝑌1−𝑌1−𝑌23𝑋02𝑥2,𝑥𝑋0𝑉𝑃𝑁=𝑌2+23(𝑌1−𝑌2)𝑋0𝑥,𝑥=𝑋048JominyHardenability设置界面淬透性计算指定奥氏体晶粒尺寸设置开始淬火温度参数输入设置Jominy棒的长度49晶粒尺寸估算工具Utilities——Austenitegrainsizeestimation50JominyHardenability计算结果51HighTemperatureStrength高温强度计算合金变形的两种机制位错滑移：DDG（dislocationglide）位错攀移：DDC（dislocationclimb）52HighTemperatureStrength低温DDG机制影响屈服强度的因素内在因素晶粒大小和亚结构，溶质元素，第二相晶界强化（Hall-Petch）公式𝜎𝑦,𝜀=𝜎𝑦,𝜀0𝜀𝜀0𝑚0.50ydenk1.20.84()ln2pptGbrMLb第二项强化（Ashby-Oroman）公式外在因素温度、应力状态、应变速率53HighTemperatureStrength高温DDC机制屈服强度计算模型：𝜎yT=𝛼+𝛽exp(−𝑄𝑅𝑇)低温下，位错运动受阻会产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大切应力作用下位错才能重新运动与增值高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，发生位错攀移，从而导致变形54HighTemperatureStrength高温强度计算设置室温下屈服强度设置计算范围参数输入固定应变率、温度变化固定温度、应变率变化55HighTemperatureStrength计算结果屈服强度—温度曲线屈服强度—应变速率曲线56FlowStressAnalysis流动应力分析流动应力：变形过程某一瞬时进行塑性流动所需的真实应力与应力应变曲线本质上没有差别，但一般省略弹性部分57FlowStressAnalysis流动应力分析理论基础DDG机制：a)只考虑应变硬化𝜎=𝐾𝜀𝑛𝑛=𝑎exp(𝑏𝜎0.2)𝜎=𝐾𝜀𝑛𝜀𝑚b)考虑应变速率硬化加工硬化数：𝐾=𝜎0.2𝜀0𝑛58FlowStressAnalysis流动应力分析理论基础DDC机制：蠕变随时间的延续大致分三个阶段𝜀𝑝=𝜀𝑠𝐾0ln[1+𝜀𝑖−𝜀𝑠𝜀𝑠(1−𝑒−𝑘0𝑡)𝜀𝑠=𝐴𝐷(𝐺𝑏𝑅𝑇)𝜎𝐸𝑛′𝜀𝑡=[2𝐶𝑑+𝑡𝑅𝑙4]𝜀𝑠𝜀𝑝：初期蠕变速率𝜀𝑠：稳定蠕变速率𝜀𝑡：加速蠕变速率初期蠕变：稳定蠕变：加速蠕变：应变-应变速率关系：𝜀=(𝜀𝑝+𝜀𝑠+𝜀𝑡)𝑡59FlowStressAnalysis设置界面流动应力分析设置室温下屈服强度设置应变率计算范围参数输入设置温度计算范围设置应变计算范围60FlowStressAnalysis计算结果61FlowstressperPhase各相流动应力分析设置晶粒尺寸设置奥氏体化温度参