Jmatpro基本原理及操作指南——镍基合金为例
本文以镍基合金为例,学习Jmatpro软件的相关理论和操作,为材料设计做理论指导
高温合金:在较高温度下(600℃),能够承受一定应力并具有抗氧化或耐腐蚀能力的合金,主要有钴基合金、镍基合金和铁基合金
固溶强化:加入与基体合金原子尺寸不同的元素(Mo、Co、Cr、V),与镍形成固溶体γ相(GAMMA),引起晶格畸变。沉淀强化:通过时效处理,从过饱和固溶体中析出第二相(γ'、γ''或碳化物等)γ'相是A3B型化合物,代表类型有Ni3(Al/Ti)。增加γ'相数量并使γ'相与基体相有适当的错配度,以获得共晶畸变的强化效应。
热力学计算
主要是平衡相图的计算
Step temperature:计算固定合金成分时,温度变化下相的组成
Step concentration and Profile:计算某一温度下,随着合金成分变化下的相图
Single:同时固定温度和成分的相图
相图绘制理论
CALPHAD技术,根据热力学原理,体系在恒温恒压下达到平衡的一般条件:
1、体系的总吉布斯自由能达到最小值,
其中,是纯组元的吉布斯自由能之和(简单机械混合的);理想混合熵引起的自由能增加(形成固溶体的,原子之间大小相等,相互作用相近);偏离理想溶液引起的差额自由能(固溶体的,原子大小不等的)。
2、组元i在各相中的化学势相等
Step temperature
Ph是查看某一相合金元素随温度的变化
EI查看某一合金元素在各项中随温度的变化
T具体的某一温度下的相图
还有热力学函数的变化曲线:∆G(偏摩尔吉布斯自由能)、αi(激活能)、Cp(材料热容)、H焓、G吉布斯自由能和S熵值(指材料整体的)
Step concentration
Profile
计算固定温度下,计算多种合金成分同时变化时的组成相图
Single
同时固定温度和合金成分的相组成
凝固计算
Solidification:模拟铸造过程
Phases and properties:计算凝固过程中的相组织结构、热物性能及冷却曲线
Homogenization:均匀化热处理计算
理论基础
Scheil-Gulliver模型假设:
- 固相和液相中的溶质扩散可以忽略
- 液相中的溶质扩散非常快,可以完全扩散
合金成分计算公式:
C0是最初的成分浓度,fs是形成固相所占分数:
成分计算出来后,基于每一相的合金成分计算该相的相关性能:
其中,纯主元素的机械混合性能,是组元间的相互作用,使相关性发生的变化,相互作用系数。根据材料的相组成及每个相的性能,利用混合定律计算材料的整体性能:
其中,xα+xβ=1,Fs是组织的分散度,PIII是与材料拓扑结构有关的系数。
Phase and properties
相组成和材料性能计算
凝固截止点,Scheil-Gulliver模型考虑了反向扩散,将导致两种情况,原本在凝固的最后阶段我们预测出现的相,没有出现;第二种是在实际达到100凝固前就完全凝固了,因此设置一个凝固截至点。
Homogenization
均匀化计算,金属和合金在凝固过程中,由于冷却速度较快,在凝固时存在枝晶偏析。就是固溶体晶体呈现树枝状,枝干与枝间的化学成分不同。
均匀化热处理就是将试样加热到低于固相线100-200℃,保温较长时间,使偏析元素充分扩散,达到成分的均匀化。
热物性能计算
根据热力学平衡计算,得到平衡条件下的热物性能
Extended general和Dynamic根据平衡相组织结构计算材料热物性能
Gamma mismatch是相晶格错配度的计算
Stacking fault energy 堆垛层错能,原子存在错排,与材料的位错、滑移和相变是相关的,进而影响相关性。
材料性能计算同上
Dynamic
Extended general
即使相组成相同,但是由于不同温度下纯组元的性能不同,导致材料整体性能不同,就是Pi0发生了变化。
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