[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

说明书

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，利用近α钛合金的实验结果及余氏理论计算的电子结构参数，建立近α钛合金抗拉强度、伸长率、冲击功及断裂韧性的表征模型；将表征模型及计算公式编制成计算软件，在计算机上可以进行近α钛合金性能优化与化学成分的逆向设计。本发明计算精度高、成本低，能够快速简便设计新型近α钛合金。

技术领域

本发明涉及近α钛合金性能优化与成分逆向设计方法，具体说，根据合金力学性能等技术指标，利用余氏理论计算的电子结构参数、根据合金化学成分结合组织状态及相变原理，在计算机上实现近α钛合金力学性能优化与成分逆向设计方法。

背景技术

近α钛合金具有高强、可焊性、耐腐蚀及优良综合力学性能等优点，在船舶、舰船及航海领域的高压容器、深潜器的耐压壳体、焊接结构件等方面均获得广泛应用，其制件产品种类(如棒材、板材、饼材和锻件)也趋于多样化。因此，对近α钛合金性能优化与成分定量设计也越来越受到重视。当前，针对近α钛合金性能优化与成分定量设计的有效方法仍比较匮乏，现行的一些方法的精度也不是很理想。CN101763450A公开了一种钛合金成分定量设计方法，从钛合金的实际相变过程出发，在电子结构层次上建立了不同热处理条件下钛合金的强化权重、强化系数的数学模型，然后以α-Ti、β-Ti的抗拉强度、伸长率值为基值，利用强化权重、强化系数计算不同热处理条件下的强度增量及伸长率的降低量，从而给出钛合金在不同热处理条件下的抗拉强度、伸长率的计算值；将计算公式编制成计算软件，在计算机上观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差在10％内，便可确定钛合金成分。这种方法存在以下不足：没有考虑断裂韧性及冲击功，抗拉强度、伸长率的表征公式更适合亚稳β钛合金，对近α钛合金不够精准。

发明内容

本发明的目的在于提供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，该方法可以在计算机上实现近α钛合金成分、性能的“炒菜”设计，操作简便、计算量小。

本发明的技术解决方案如下：

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，其步骤如下：

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；

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(简称界面强度增量)；

晶胞强度增量计算公式为