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JMatPro通用钢模块介绍,中仿智能科技,,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,铁碳相图,铁的同素异晶状态：-Fe，-Fe，-Fe 铁素体（F/ ): 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体 奥氏体(A/ ): 碳溶于-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）,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,软件基本操作,03,热力学计算,热力学计算,计算“平衡相图”和“亚稳态相图”,Thermodynamic Properties,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：,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Gmin,,,,,Single,Single 计算结果,Step Temperature,Step Temperature 计算结果,Phase Boundaries,Step Concentration,Step Concentration 计算结果,Profile,Profile 计算结果,Isopleth,Isopleth,,Isopleth 计算结果,相区/相边界,捕捉设置,Single 计算结果,凝固计算,04,凝固计算,Solidification,凝固计算理论基础,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,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,Phases and Properties,Phases and Properties 计算结果,热物性能计算,05,热物性能计算,Thermo-Physical Properties,基于平衡相图计算热物性能,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,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,,Dynamic,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：,Step Temperature,Step Concentration,Profile,Dynamic 计算结果,Extended General,Extended General 计算结果,Extended General 计算结果,Stacking Fault Energy,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,Stacking Fault Energy,,参数设置,设置需要计算的温度上限,选择可能出现的相,Stacking Fault Energy 计算结果,Magnetic permeability,,室温硬度:矫顽力Hc；与硬度相关,VF铁素体体积分数,Magnetic permeability 计算结果,机械性能计算,06,机械性能计算,Jominy Hardenability,Jominy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,Jominy Hardenability 理论基础,冷却速率计算（Kirkaldy & Venugopolan 1984）,,,其中,维氏硬度计算（Honeycombe 1980 and Kirkaldy & Venugopolan 1984 ）,,Jominy Hardenability 设置界面,,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,晶粒尺寸估算工具,Jominy Hardenability 计算结果,High Temperature Strength,,合金变形的两种机制,位错滑移：DDG（dislocation glide）,位错攀移：DDC（dislocation climb）,,,High Temperature Strength,,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,,第二项强化（Ashby-Oroman）公式,外在因素,温度、应力状态、应变速率,High Temperature Strength,高温DDC机制,屈服强度计算模型：,,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,High Temperature Strength,,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,High Temperature Strength 计算结果,屈服强度温度曲线,屈服强度应变速率曲线,Flow Stress Analysis,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,Flow Stress Analysis,流动应力分析理论基础,DDG机制：,a) 只考虑应变硬化,,,,b) 考虑应变速率硬化,加工硬化数：,,Flow Stress Analysis,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,,,,,,,初期蠕变：,稳定蠕变：,加速蠕变：,应变-应变速率关系：,,Flow Stress Analysis 设置界面,,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,Flow Stress Analysis 计算结果,Flow stress per Phase,,设置晶粒尺寸,设置奥氏体化温度,参数输入,选择冷却速率计算方式,Flow stress per Phase 计算结果,Fatigue Related,,Fatigue Related 设置界面,,设置室温下屈服强度,参数输入,设置振幅、频率、温度,Fatigue Related 计算结果,Tempered Hardness,相变动力学计算,07,相变动力学计算,相变动力学计算,TTT/CCT理论基础,,反映合金在进行热处理时按照等温冷却的方式冷却，转变产物类型以及转变量与时间，温度之间的关系曲线,TTT图：,CCT图：,反映合金在进行热处理时按照连续冷却的方式冷却，转变产物类型以及转变量与冷却速度的关系曲线,理论基础:,Kirkalday & co-workers,Quick TTT/CCT Diagrams 设置界面,,,指定晶粒度,,,冷却开始温度,,,转变量,Quick TTT/CCT Diagrams 计算结果,Advanced CCT,,,指定晶粒度,,,冷却开始温度,Advanced CCT 计算结果,Advanced TTT,新增功能： 高级TTT曲线计算，考虑了中温转变的影响 晶粒尺寸 奥氏体化温度 计算类型 每相转变 总转变,Advanced TTT,新增功能： 高级TTT曲线计算，考虑了中温转变的影响 考虑中温转变过程中各相之间的相互影响,高级TTT,快速TTT,,Advanced TTT,新增功能： 高级TTT曲线计算，考虑了中温转变的影响 计算类型 每相转变 分别给出每一相转变量曲线和转变完成曲线 总转变 仅给出每一相转变开始曲线和总转变量曲线,Quench Properties,淬火： 将钢加热到临界点AC3或AC1以上一定的温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺 目的：提高工件的强度，硬度和耐磨性 淬火性能计算的理论基础 1.计算一定淬火速度的下的相组成 根据Kirkalday计算连续冷却的CCT图，得到一定冷速下的相组成 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,Quench Properties,,,指定晶粒大小,,,,,淬火开始温度，只要在奥氏体转变开始温度以上即可,Quench Properties 计算结果,Welding Cycle,焊接：通过加热或加压或两者并用，也可能用填充材料，使工件达到结合的方法 焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程 焊接热循环的参数及特征 加热速度 最高加热温度 相变温度以上停留时间 冷却速度（冷却时间）,,组织结构晶粒大小,,组织结构,Welding Cycle,,,,,,,指定晶粒大小 奥氏体转变温度： 软件会自动计算得到 最大温度： 加热到的温度上限 加热速率 冷却速率： 获得不同冷却速率下的信息,,,,,Welding Cycle 计算结果,,,不同冷却速度,Martensite,马氏体：钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解，得到碳在-Fe中的过饱和固溶体，具有很高的硬度和强度 马氏体转变温度 普通热处理，表征奥氏体热稳定性的 转变开始温度（Ms） 转变终了温度（Mf） 形变热处理，表征奥氏体机械稳定性 应力诱导马氏体临界温度（） 应变诱导马氏体临界温度（Md）,Martensite 计算公式,马氏体的形成温度主要取决于奥氏体中的化学成分，即碳和其他合金元素的含量 Ms Andrews： Ms=561-474%C-33%Mn-17%Si-17%Cr-21%Mo 对于低，中合金钢精确度较高 Ghosh & Olson引入温度变量，使其适用于高合金钢 Md50/30: Md50/30=551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo,Martensite 设置界面,,根据左侧的合金成分，会自动给出的当钢全部为奥氏体相时马氏体开始转变温度和应变诱导产生50%马氏体时温度,Martensite 计算结果,,,Martensite 计算结果,,Energy Changes,Energy Changes：计算相变时新相与母相之间的自由能之差随温度的变化曲线,,,,,,GP,T0(A1=727),T1,,T,GP,G,当T=T0(A1)时，GP=G,当TT0（T=T1）时，GP G。

GP0,即GGP 0，驱动力能够克服相变阻力，奥氏体自发形成当TT0（T=T2）时， GP G GP0,新相形成时系统总的自由能变化,,Energy Changes 计算结果,Simultaneous Precipitation,计算在回火过程中析出的碳化物和金属间相M3C,M2(C,N),M(C,N),M23C6,M7C3,M6C,Laves相,Z相 回火：将淬火钢加热到低于临界点A1以下的某一温度，保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温的一种热处理工艺,Simultaneous Precipitation,。