[发明专利]基于余氏理论的近α钛合金性能优化与成分逆向设计方法

权利要求书

1.一种基于余氏理论的近α钛合金性能优化与成分逆向设计方法，其特征在于：

步骤一、建模

步骤1.1制备Ti-xAl、Ti-xNb、Ti-xMo、Ti-xZr、Ti-xO、Ti-6Al-xMo、Ti-6Al-xNb、Ti-6Al-xZr合金，进行组织调制、金相分析、力学性能测试；

步骤1.2利用余氏理论的“自洽键距差法”计算近α钛合金中各晶胞中最强共价键上的共价键能E′_A及界面共价键能密度差ΔE′_(hkl)//(uvw)；

步骤1.3采用“砖块”模型对近α钛合金组织进行网格划分，模型认为合金的组织是由不同强韧性质的“砖块”堆砌而成，所述“砖块”是由含有不同原子的晶胞组成，“砖块”之间的缝隙就是晶胞交界之处；近α钛合金的性能由组成“砖块”的晶胞及其交界处应力的性质进行表征；

步骤1.4组成“砖块”各晶胞的强韧性由晶胞中最强共价键上共价键能E′_A来表征；组成“砖块”缝隙的晶体薄弱区用与界面应力相匹配的界面共价键能密度差ΔE′_(hkl)//(uvw)表征；

步骤1.5近α钛合金理想强度计算公式为

其中f^Ti为Ti原子百分数；＝250-310MPa；分别为α-Ti-M、β-Ti-M晶胞的强度增加量；分别为α-Ti晶胞与α-Ti-M、β-Ti-M、β-Ti晶胞形成的交界的强度增加量，即简称界面强度增量；

晶胞强度增量计算公式为

S^β(α)-Ti-M代表β-Ti-M、α-Ti-M晶胞的强化系数；f₁(x^M)代表β-Ti-M、α-Ti-M晶胞的强化权重，其中x^M为合金原子M的原子百分数；函数f₁(x^M)的形式由二元合金的实验值确定，它会因合金种类及力学性能类别的不同而略微发生变化，函数f₁(x^M)具体为：

Ti-xO，含量范围，100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，含量范围，100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

Pt为晶胞强化权重因子，与合金原子分布随机性有关；

β-Ti-M、α-Ti-M晶胞的强化系数为

界面强度增加的计算公式为

式中相界面强化权重F₁(x^M)也是合金原子百分数的函数，函数F₁(x^M)的形式随着合金种类及力学性能类别的不同而略微发生变化，具体形式由二元合金实验值确定，函数F₁(x^M)具体为：

Ti-xO，100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，含量范围，100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

PN为与滑移系有关的因子；It为与晶胞偏聚程度有关的强化权重因子；

步骤1.6近α钛合金理想伸长率计算公式为

其中δ⁰＝δ^αTi·f^Ti+δ^βTi·(1-f^Ti)；δ^α-Ti＝50％；δ^β-Ti＝70％；Δδ^α(β)-Ti-M分别为α-Ti-M、β-Ti-M晶胞的伸长率降低量；Δδ^{α(β)-Ti//α(β)-Ti-M}为α-Ti晶胞与α-Ti-M、β-Ti-M形成的交界的伸长率降低量；Δδ^β-Ti//α-Ti为α-Ti晶胞与β-Ti晶胞的界面伸长率降低量；

晶胞伸长率降低量的计算公式为

其中伸长率权重f₂(x^M)也是合金原子含量的函数，其表现形式为：

Ti-xO，含量为100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，含量为100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

界面伸长率降低量的计算公式为

式中伸长率界面强化权重F₂(x^M)也是合金原子百分数的函数，函数具体形式为：

Ti-xO，含量范围100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，含量范围100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

步骤1.7近α钛合金理想冲击功计算公式为

其中为晶胞β-Ti-M、α-Ti-M冲击功降低量；为α-Ti、β-Ti交界冲击功降低量；为α-Ti//α-Ti-M、β-Ti//β-Ti-M相界面冲击功降低量；

晶胞冲击功降低量的计算公式

其中冲击功权重f₃(x^M)也是合金原子含量的函数，其表现形式为：

Ti-xO，100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

界面冲击功降低量的计算公式为

式中冲击功界面强化权重F₃(x^M)是合金原子百分数的函数，函数具体形式为：

Ti-xO，100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

步骤1.8近α钛合金理想断裂韧性计算公式为

其中为晶胞β-Ti-M、α-Ti-M断裂韧性降低量；为α-Ti、β-Ti交界断裂韧性降低量；为α-Ti//α-Ti-M、β-Ti//β-Ti-M相界面断裂韧性降低量；

晶胞断裂韧性降低量计算公式为

其中断裂韧性权重f₄(x^M)是合金原子含量的函数，其表现形式为：

Ti-xO，100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

界面断裂韧性降低量的计算公式为

式中断裂韧性界面强化权重F₄(x^M)是合金原子百分数的函数，函数具体形式为：

Ti-xO，100·x^O≤1，

Ti-xAl，

Ti-xFe，100·x^Fe≤1，

Ti-xMo，

Ti-xNb，

步骤1.9组织状态对力学性能的影响

不同组织状态的近α钛合金强度的表征公式为

其中，为考虑组织状态后近α钛合金的抗拉强度，P为不同组织状态对强度的影响系数，双态组织为0.7334～0.9334；等轴组织为0.7163～0.9163；片层组织为0.7065～0.9065；

不同组织状态的近α钛合金伸长率的表征公式为

δ^T＝C·δ^P                           (15)

其中，δ^T为考虑组织状态后近α钛合金的伸长率，C为不同组织状态对伸长率的影响系数，双态组织为0.6932～0.8932；等轴组织为0.7318～0.9318；片层组织为0.5260～0.7260；

不同组织状态的近α钛合金冲击功的表征公式为

其中，为考虑组织状态后近α钛合金的伸长率，D为不同组织状态对冲击功的影响系数，双态组织为0.2273～0.4273；等轴组织为0.2074～0.4074；片层组织为0.4396～0.5396；

不同组织状态的近α钛合金断裂韧性的表征公式为

其中，为考虑组织状态后近α钛合金的伸长率；F为不同组织状态对冲击功的影响系数；等轴组织为0.5840～0.6840；双态组织为0.6304～0.8304；片层组织为0.6155～0.8155；

步骤1.10将表征模型及所述公式1)一公式17)编制成计算软件；

步骤二、近α钛合金性能优化

步骤2.1利用步骤1.2计算的近α钛合金中各晶胞中最强共价键上的共价键能E′_A及界面共价键能密度差ΔE′_(hkl)//(uvw)的数据及公式3)计算近α钛合金中各晶胞的强化系数；

步骤2.2将已知近α钛合金成分的重量百分数转化为原子百分数，按公式2、公式4、公式6、公式7、公式9、公式10、公式12、公式13计算晶胞强化权重f₁(x^M)、f₂(x^M)、f₃(x^M)、f₄(x^M)及界面强化权重F₁(x^M)、F₂(x^M)、F₃(x^M)、F₄(x^M)；

步骤2.3将晶胞强化系数、强化权重代入公式2、公式4、公式6、公式7、公式9、公式10、公式12及公式13计算各晶胞及界面强化的力学性能增减量；

步骤2.4将计算的力学性能增减量分别代入公式1、公式5、公式8、公式11，便可获得理想状态下近α钛合金的抗拉强度、伸长率、冲击功及断裂韧性的计算值；

步骤2.5将理想状态的力学性能计算值代入公式14-公式17便可获得不同组织状态下近α钛合金的力学性能值；

步骤2.6在计算机上执行5-10次计算进行性能优化，当上次优化计算与下次优化计算的性能波动未超过10％时，便可实现近α钛合金化学成分-组织状态-力学性能间的优化匹配；

步骤三、近α钛合金成分逆向设计

当合金化学成分未知时，在计算机上执行多次试探合金成分、组织状态及力学性能间的优化匹配，便可实现合金成分逆向设计。