基于JMatPro纯钛材料强度数学模型的分析和研究.pdf

5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 6 年第5 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 5 ．0 1 4 基于JM a t P r o 纯钛材料强度数学模型的分析和研究 朱俊杰，包淑娟，刘茵琪 洛阳双瑞精铸钛业有限公司，河南洛阳4 7 1 0 0 0 摘要基于J M a t P r o 软件对纯钛材料强度进行计算，推导出氧当量和强度计算公式，并根据材料厚度及 退火制度定义强度修正参数。经使用发现对实际生产具有很大的指导意义。 关键词- J M a t P r o ；纯钛；强度；氧当量；强度 中图分类号T B 3 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 50 0 5 0 0 3 A n a l y s i sa n dS t u d yo fM a t e r i a lS t r e n g t hM a t h e m a t i cM o d e lf o r P u r eT i t a n i u mB a s e do nJ M a t P r oS o f t w a r e Z H U J u n j i e ，B A OS h u j u a n ，L I UY i n q i I 。u o y a n gS u n r u iT iP r e c i s i o nC a s t i n gC o ．．L t d ，L u o y a n g4 7 1 0 0 0 ，H e n a n ，C h i n a A b s t r a c t S t r e n g t ho fp u r et i t a n i u mw a sc a l c u l a t e db a s e do nJ M a t P r os o f t w a r e ，a n de q u i v a l e n to x y g e n c o n t e n ta n ds t r e n g t hc a l c u l a t i o nf o r m u l a sw e r ed e d u c e d ．M o d i f i e dp a r a m e t e ro fs t r e n g t hw a sd e f i n e d N e wf o r m u l a si s p r o v e dt O f a c i l i t a t ep r o d u c t i o nb y K e yw o r d s J M a t P r o ；p u r et i t a n i u m ；s t r e n g t h ；e q u i v a l e n to x y g e nc o n t e n t ；s t r e n g t h 纯钛中的杂质元素 F e 、C 、N 、H 、O 等 显著地 影响其加工材的屈服强度和抗拉强度。为了控制工 业纯钛强度指标及使用要求，需通过调整F e 、c 、N 、 O 等杂质元素的含量来实现。在实际操作过程中则 主要是通过控制铸锭中的氧、铁含量来实现。 因此，在钛加工材实际生产中，有必要研究纯钛 强度和杂质元素含量之间的关系，并对其进行定量 分析。常用的方法是利用氧当量来计算钛的最终强 度。但是从相关文献n ‘4 1 上，最少发现3 种氧当量计 算公式 1 ～ 3 。氧当量公式一般是从强度计算公 式反推的，而强度计算公式是从大量试验数据中提 取的。因此可以认为，不同的推导方法导致不同的 氧当量和强度计算公式，两者具有匹配性。而强度 计算公式一般表述如公式 4 所示，且b 一般为定 收稿日期2 0 1 5 1 1 0 4 基金项目河南省重大科技专项 1 1 1 1 0 0 2 1 0 6 0 0 作者简介朱俊杰 1 9 8 1 一 ，男，河南洛阳人，工程师 值。但是在实际生产中发现，氧当量和强度计算公 式计算结果无法与实际生产结果相对应，无法实现 较好的定性和定量。究其原因，认为氧当量是影响 钛材强度的重要因素，但绝不是唯一因素。即使同 样的氧当量，也需要根据各种具体情况修订参数 b 值。 [ ] 一 2 N 0 ．5 C 0 ．2 F e 1 E o ] 一O 2 ．5 N o ．7 C 0 ．5 F e 2 [ O ] 一O 2 N C 3 [ d ] 一a E 0 3 4 - b 4 J M A T P R O 软件是英国S e n t eS o f t w a r eL t d 公 司研发的专业金属材料相图计算与材料性能模拟软 件，广泛应用于国内外材料行业中，对其计算结果的 整理和分析，或可获取一些有效经验。 SSeCOr p neHaeraehdnaSS e nk Ch协 m g O n ．n础．委 ㈣Ⅲ a a 万方数据 2 0 1 6 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p f ／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 1 l J M A T P R O 数据分析 1 ．1 软件中退火温度的影响 经过T A l 和T A 2 计算，针对同一晶粒度，不同 的退火温度计算出来的材料强度是相同的 图t 。 再选另一等级的晶粒度重复计算，仍然发现不同退 火温度下材料强度相同。从以上计算结果来看，该 软件在纯钛性能计算上，退火温度的设定不起作用， 计算主要通过化学成分及晶粒度来标定其力学 一性能。 山 至 ＼ 世 囊 品粒度／g i n 图1J M a t P r o 晶粒度与强度关系曲线 F i g ．1 JM a t P r oc u r v eo fg r a i ns i z ea n ds t r e n g t h 1 ．2 氧当量及强度J M a t P r o 计算确认 在同一种晶粒度条件下，针对不同杂质元素成 分的等量递增，利用J M a t P r o 软件计算出其强度， 然后再经过数据统计和分析，得出杂质元素强度等 量递增值，然后再和氧元素的强度等量递增值相除， 可以得出杂质元素的氧当量系数。为了保证结果的 准确性，分别对两种不同晶粒度进行计算。结果如 表1 所示。 1 ．2 ．1 晶粒度1 0p m 1 0 级 屈服强度对应氧当量 E o ] 一 o ．0 0 8 F e 0 ．6 3 C 1 ．8 0 N 5 抗拉强度对应氧当量 E o ] 一0 0 ．0 0 8 F e 0 ．6 5 C 1 ．8 7 N 6 可以得出相应的强度计算公式 [ 吼] 一[ ] 1 3 0 4 1 6 4 7 [ d ] 一[ ] 1 4 2 8 2 0 5 8 1 ．2 ．2 晶粒度6 0p m 5 级 屈服强度强度对应氧当量 r O ] 一0 0 ．0 0 8 F e 0 ．6 4 C 1 ．7 9 N 9 抗拉强度对应氧当量 E O ] 一 o ．0 0 8 F e o ．6 5 C 1 ．8 6 x N 1 0 可以得出相应的强度计算公式 [ 阢。] 一[ ] 1 3 0 4 1 1 3 1 1 [ 6 ] 一[ O ] 1 4 2 8 1 4 7 1 2 表1 化学成分增量和强度增量关系对照表 T a b l e1I n c r e m e n to fs t r e n g t ha c c o r d i n gt o i n c r e m e n to fe l e m e n t a r yc o m p o s i t i o n 1 ．3 氧当量公式确认 通过以上计算，为了统一标准，并以抗拉强度计 算为基准，确认氧当量的计算公式如下 [ O ] 一 0 ．0 0 8 F e 0 ．6 5 C I ．8 7 N 1 3 基于J M a t P r o ，按照以上氧当量对晶粒度1 0 “m 进行相应抗拉／屈服强度校核计算，最终确认误 差不超过- 2 - _ 5M P a ，应满足计算精度要求。 1 ．4 强度公式确认 在J M a t P r o 中强度仅与化学成分和晶粒度有 关，而化学成分又可计算成氧当量。通过以上两种 晶粒度的计算，确认强度和氧当量呈线性关系。如 公式 1 4 ～ 1 5 ，其中C 和d 和晶粒度有直接关系。 [ 吼2 ] 一[ j 1 3 0 4 c 1 4 [ o ] 一E 0 3 1 4 2 8 d 1 5 通过曲线数据导出及整理，可以得出修正参数 c 、d 值与晶粒度的关系，结果如表2 所示。 表2晶粒度和强度修正参数对照表 T a b l e2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a i ns i z ea n d s t r e n g t hm o d i f i e dp a r a m e t e r A S T M 晶粒度晶粒度／“m 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y [ ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第5 期 续表2 j 2实际应用 2 ．1 计算强度和实际强度差别 对于生产数据，根据氧当量和晶粒度进行抗拉／ 屈服强度计算，最终结果显示，计算抗拉／屈服强度 往往较实际值偏小或偏大。据此分析认为，J M a t P r o 中将晶粒度理想化，而实际生产过程中，晶粒度 即使较为均匀，但是晶粒之间差异较大，各向异性也 较大。实际生产过程中抗拉／屈服强度不仅和晶粒 度及氧当量有关，同时与退火制度、晶粒组织差异、 厚度差异等均有较大关系。从生产测试数据来看， 厚度增大的情况下，屈服／抗拉强度会明显上升；退 火温度低的情况下，屈服／抗拉强度也会明显上升。 因此无法完全按照晶粒度及氧当量来确认最终的屈 服强度。但是同样厚度及同样退火温度的情况下， 则相差不大。 因此，我们考虑强度计算公式中的修正参数c 和d 不再参考实际晶粒度，而是针对工艺固化的产 品，通过性能统计，确认参数C 和d 值。这样做虽然 较为麻烦，但是对于一种大批量生产且工艺固化的 产品，具有非常大的指导意义。 2 ．2 强度计算公式应用实例 针对批量生产的普通T A l 产品，其中4r a m ／ 8r a m ／1 0m m 的批量较大，因此对其进行计算分 析。通过输入氧当量，然后按照公式 1 6 和 1 7 计 算出一个基准值，和实际值相减得出差值，最后对差 值进行平均得出最终的参数c 、d 值。计算结果如表 3 所示。对应4m m ／8r a m ／1 0m m 厚度的普通T A l 板材，c 值分别为1 0 2 ／1 7 6 ／1 6 9 ，d 值分别为2 0 l ／ 2 5 2 ／2 3 4 。 [ 勘．。] 一[ O ] 1 3 0 4 1 6 r 0 1 一E O ] 1 4 2 8 1 7 表3实际强度和计算强度对比 T a b l e3 C o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t e ds t r e n g t ha n dr e a ls t r e n g t h 3 结论 言萎恭篙馨焉勰嚣蛳 1 J m a t p r o 的氧当量计算公式[ 盯] 一[ 0 ] x1 4 2 8 下转第7 2 页 万方数据 7 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第5 期 参考文献 [ 1 ] 国家文物局．2 0 0 9 中国重要考古发现[ M ] ．北京文物 出版社，2 0 1 0 4 4 4 8 ． E 2 3 季连琪．河南安阳郭家庄1 6 0 号墓出土铜器的成分分析 研究E J ] ．考古，1 9 9 7 2 8 0 8 4 ． E 3 ] 赵春燕．安阳殷墟出土青铜器的化学成分分析与研究 考古学集刊 1 5 [ M ] ．北京文物出版社，2 0 0 4 2 4 3 2 6 8 ． E 4 3 金正耀，C H A S EWT ，平尾良光，等．江西新干大洋洲 商墓青铜器的铅同位素比值研究E J ] ．考古，1 9 9 4 8 7 4 47 4 7 ． F 5 3 彭子成，刘永刚，刘诗中，等．赣鄂豫地区商代青铜器和 部分铜铅矿料来源的初探E J 3 ．自然科学史研究，1 9 9 9 ， 1 8 3 2 4 1 - 2 4 9 ． [ 6 ] 孙淑云，韩汝玢．盘龙城出土青铜器的铅同位素比测定 报告E R ] ／／盘龙城19 6 3 1 9 9 4 年考古发掘报告 上 ．北 京文物出版社，2 0 0 1 5 4 5 5 5 1 ． E 7 3 金正耀．晚商中原青铜的锡料问题E J ] ．自然辩证法通 讯，1 9 8 7 ，9 4 4 7 5 5 ． 上接第5 2 页 2 J m a t p r o 对强度计算有所优化，根据晶粒度 的不同，采用不同的修正参数，但是与实际生产差别 较大。 3 本文得出的下列纯钛板强度计算公式可用于 生产，在实际应用时，需针对纯钛材料不同厚度、牌 号、退火制定来定义相应的强度修正参数C 和d 。 [ 乱2 ] 一[ 0 3 1 3 0 4 c E o J 一厂 ] 1 4 2 8 d 参考文献 [ 1 ] 稀有金属材料加工手册编写组．稀有金属材料加工手 册E M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 4 4 9 5 4 ． E 2 3 莫畏．钛[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 2 9 0 3 2 7 ． E 3 3 王小朝，郭佳林．纯钛板杂质元素含量与强度关系的数 学模型构建E c ] ／／第十四届中国有色金属学会材料科学 与工程合金加工学术研讨会文集，海南三亚中国有色 金属学会轻金属冶金学术委员会，2 0 1 1 2 8 1 2 8 4 ． [ 4 ] 陈战乾，王晓君，乔璐，等．纯钛轧制板材抗拉强度与其 铸锭杂质含量的函数关系研究[ J ] ．稀有金属快报， 2 0 0 4 ，2 3 8 2 4 2 8 ． 万方数据