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JMatPro钛合金模块介绍

中仿科技施翀（Joy） 2011年12月





钛合金背景知识介绍

钛合金模块功能介绍、演示

热力学计算

凝固计算

热物性能计算

目录

机械性能计算

相转变计算

数据导出





钛合金背景知识介绍

钛合金：极其重要的轻质结构材料，是以Ti为基体元素加入少量其他元素形成

的有色合金

钛合金有两种同素异晶体

低温下：𝛼 − 𝑇𝑖，密排六方结构（hcp）

高温下：𝛽 − 𝑇𝑖，体心立方结构（bcc）





钛合金的特点：

① 密度小、比强度高

② 工作温度范围较宽

③ 具有优良的抗蚀性，特别是在海水和海洋大气环境中抗蚀性极高

钛合金的缺点：

① 化学活性很高，极易受氢、氧、氮的污染

② 导热性差，摩擦系数大，抗磨性也较差

③ 弹性模量低，影响构件的刚度





钛合金的分类：

𝛼钛合金

高温性能好，组织稳定，焊接性能好，是耐热钛合金的主要组成部分

𝛽钛合金

塑性加工性能好，合金浓度适当时，可通过强化热处理获得高的常温

力学性能

𝛼+𝛽钛合金（还包括少量𝛽相的近𝛼合金）

可以进行热处理强化，常温强度高，中等温度的耐热性也不错





钛合金中合金元素的作用：

Al 是钛合金中最主要的强化元素，具有显著的固溶强化作用

V 在𝛽-Ti中无限固溶，是𝛽稳定化元素，具有显著的固溶强化作用

Cu 属于𝛽稳定化元素，部分固溶，部分形成Ti2Cu和TiCu2化合物

Si 改善合金的耐热性能

Re 细化晶粒，净化基体，提高热稳定性和蠕变性能





钛合金的应用：

• 航空航天及军事，利用其优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性

• 化工、汽车及能源

• 日常生活领域





钛合金模块功能介绍、演示





一.热力学计算—平衡相图绘制

热力学计算

① Step Temperature：温度—相组成图

② Step Concentration & Profile：合金成分—相组成图

③ Single：固定温度和合金成分的相组成图





热力学计算的理论基础（CALPHAD 技术）

根据热力学原理，体系在恒温恒压达到平衡的一般条件：

（1）体系的总吉布斯自由能G达到最小值Gmin

（2）组元i在各相中的化学势相等，即有

i j v

v

jivji

i i

iiii XXXXXXRTGX )(ln0

mG

纯组元的吉布斯自由能之和

理想混合熵引起的自由能增加

偏离理想溶液引起的超额自由能

每一相的摩尔吉布斯自由能：





设置合金成分

温度设置

是否考虑所有的相

一.热力学计算—1.Step temperature





计算结果合金成分一定

勾选择需要显示的相

查看某一相中合金元素随温度的变化

查看某一合金元素在各相中随温度的变化

还给出了热力学函数变化曲线





一.热力学计算—2.Step Concentration

固定温度

选择平衡元素选择一种合金元素平衡元素

除了成分变化以外的合金元素全为平衡元素





计算结果





一.热力学计算—3.Profile

Profile：计算固定温度时的合金成分变化—相组成图多种合金成分同时变化时





参数设置界面

确定计算步长

指定多种合金成分同时变化除Ti以外，Ti为平衡元素





一.热力学计算—4.Signal

Singal：计算同时固定温度和合金成分时的相组成





参数设置界面





显示不同形式的图

计算结果





二.凝固计算

凝固计算

计算凝固过程中相组织结构，热物性能以及冷却曲线





凝固计算的理论基础

Scheil-Gulliver 模型

前提假设：

① 固相中的溶质扩散可以被忽略

② 液相中的溶质扩散非常快，以至于扩散完全

计算公式：

形成固相所占分数

形成固相中合金成分

𝐶𝑠 = 𝑘𝐶0 1 − 𝑓𝑠

𝑘−1

𝑓𝑠 = 1 −𝑇𝑓 − 𝑇

𝑇𝑓 − 𝑇𝐿

1𝑘−1





凝固计算的理论基础

材料性能计算：

① 相组成计算（非平衡条件下）

② 基于每一相的合金成分计算该相的相关性能

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

0 ( ( ) )v v

i i i j ij i j

i i j i v

P x P x x x x

t III sP x P x P P F





凝固计算——Phases&Properties（相组成&材料性能计算）

凝固开始温度

凝固截止点





计算结果





三.热物性能计算

热物性能计算

① Extended General

② Dynmic

热物性能的计算

平衡相组织结构





热物性能计算的理论基础

材料性能计算：

① 相组成计算（平衡条件下）

② 基于每一相的合金成分计算该相的相关性能

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

0 ( ( ) )v v

i i i j ij i j

i i j i v

P x P x x x x

t III sP x P x P P F





三.热物性能计算—1.Dynamic

参数设置界面

热力学计算

载入已经计算好的结果





计算结果





三.热物性能计算—2. Extended General

参数设置界面

Heat treatment：在此温度以下的相组成都与该温度时的相组成相同

Upper limit：设置最高温度，对于高于Heat treatment温度的温度下的相组成通过热力学计算





计算结果

在指定温度以下，相组成完全相同

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

0 ( ( ) )v v

i i i j ij i j

i i j i v

P x P x x x x





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