JMatPro软件介绍.ppt

AUniqueSoftwareforMaterialsPropertiesSimulation独一无二的金属材料相图计算与材料性能模拟软件,上海中仿信息科技有限公司,JMatProJava-basedMaterialsProperties,JMatPro介绍及应用实例,一、软件简介二、软件功能三、计算原理与准确性讨论四、软件应用范围、特点与发展展望,一、软件介绍,1、什么是JMatProJMatPro是一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件。被广泛用于航空航天、船舶制造、机械制造等行业中。JMatPro可用来计算金属材料的多种性能。它是一个基于材料类型的软件，不同的材料类型有不同的模块。材料类型包括镍基超合金、铝合金、镁合金、钛合金、钢铁(不锈钢、高强低合金钢、铸铁)以及锆合金等。,材料类型：铝合金镁合金钢铁(铸铁、通用钢、不锈钢)镍基超合金镍铁基超合金单晶钛合金锆合金,ThermotechLtd.AndSenteSoftwareLtd,ThermotechLtd.wasstartedin1990and,fromtheoutset,hasbeeninvolvedwithcomputermodellingofcomplexmaterialsusedbyIndustry.Centeredinitiallyontheproductionofthermodynamicdatabasesforthepredictionofequilibriumandnon-equilibriumstructures,worknowinprogressisaimedatdevelopingthecapabilitytopredictawiderangeofphysicalandmechanicalpropertiesforcomplexalloys.ThisworkhasledtothedevelopmentofanewsoftwareproductJMatPro,thedevelopmentofwhichhasbeenfundedbyaninternationalconsortiumofcompaniesandinstitutions.英国ThermotechLtd成立于1990年，公司成立之初便开始致力于复杂工业材料的计算机模拟计算。公司成立初期的核心业务是开发预测平衡与非平衡材料组织的热力学数据库。经过十几年的发展，公司现在的研究重心已转换为开发复杂合金的物理性能与机械性能的模拟计算。所有的研究结果现在是通过JMatPro软件的开发来得以运用，而且JMatPro的研发已经获得了国际公司及协会组织的资金支持。,ThermotechLtd.AndSenteSoftwareLtd,SenteSoftwareLtd.isasistercompanytoThermotechandwascreatedin2001totakeresponsibilityforthelongtermcommercialdevelopmentofJMatPro.ItnowleadsthedevelopmentofthenewscientificcapabilitiesinJMatProalongsidewiththedevelopmentofitspowerfulgraphicaluserinterface.SenteSoftware公司是Thermotech的姊妹公司，成立于2001年，专门负责JMatPro的商业化运行。现在公司通过发展其强大的界面绘图功能增加了JMatPro科学绘图能力。获取更多介绍：www.sentesoftware.co.uk,DevelopmentofJMatProsupportedbyaConsortiumof14Companies支持JMatPro软件发展的资金来自于下面14个公司,AlstomTechnologyLtd.,Baden-Dttwil,Switzerland,CorusLtd.,TeessideTechnologyCentre,U.K.CarpenterTechnologyCorp.,ReadingPA,U.S.A.DERA,Farnborough,U.K.GEAircraftEngines,CincinnatiOH,U.S.A.HowmetCorporation,WhitehallMI,U.S.A.KAPLinc.,SchenectadyNY,U.S.A.OakRidgeNationalLaboratory,OakRidgeTN,U.S.A.Rolls-Royceplc.,Derby,U.K.SandiaNationalLaboratory,AlberquerqueNM,U.S.A.SiemensWestinghousePowerCorporation,OrlandoFL,U.S.A.SpecialMetalsCorporation,HuntingtonWV,U.S.A.U.E.S.SoftwareInc.,AnnapolisMD,U.S.A.UnitedTechnologiesResearchCenter,EastHartfordCT,U.S.A.,上海中仿信息科技有限公司,中仿科技是专业从事信息化软件以及咨询服务的提供商，业务包括工程咨询服务以及企业信息化软件的集成和实施。其领域服务涉及教学科研、机械工业、土木工程、材料科学、生物医学、航空航天、汽车、电子产品、虚拟仪器等多个行业。中仿科技是JMatPro大中华地区(包括香港、澳门、台湾)独家代理商，负责JMatPro中国地区的技术支持、市场销售活动及培训服务。公司目前代理的材料及材料加工相关软件有：JMatPro、Dynaform、Deform、Fastform等。公司网址：www.CnT仿真科技论坛：,稳态和亚稳态的相平衡计算凝固性能计算用于铸造模拟热物理及物理性能计算机械性能计算相转变金属热处理设计,二、软件功能,计算功能：,1、稳态和亚稳态的相平衡计算,随温度变化的相平衡计算随成分变化的相平衡计算总括计算（成分变化）简单计算（固定温度和成分）亚稳相计算（铝合金模块）热力学计算结果信息：随温度变化的相分布图、随成分变化的相分布图、单相分布、元素在各相中的分布、固定温度相分布、吉布斯自由能、熵、焓、粒子活性、热容等。,1.1随温度变化的相图计算,1.1.1单相元素组成,1.1.2元素在各相中的分布,1.1.3固定温度下的相组成,1.1.4各元素平均自由能,1.1.5粒子活性（活度）,1.1.6热容,1.1.7焓,1.1.7吉布斯自由能,1.1.8熵,600时3310随Cr含量变化的相图,1.2随成分变化的相图计算,1.3铝合金亚稳态相图计算,1.3.1GP相,2、凝固性能计算用于铸造模拟,随温度变化的：固相分数、液相分数、密度、摩尔体积、体积变化、热膨胀系数、导热率、电阻率、导电率、杨氏模量、体积模量、剪切模量、泊松比、液体粘性、液体扩散系数、焓、比热、潜热等。,2.1凝固模拟实例（3104铝合金）,2.1.1固相分数,2.1.2液相分数,2.1.3摩尔体积,2.1.4体积变化,2.1.5热膨胀系数,2.1.6导热率,2.1.7电阻率,2.1.8导电率,2.1.9杨氏模量,2.1.10体积模量,2.1.11剪切模量,2.1.12泊松比,2.1.13液体粘性,2.1.14液体扩散性,2.1.15焓,2.1.16比热,2.1.17潜热,3、热物理及物理性能计算,热物理及物理性能计算以热力学性能中的相图为基础。输出信息包括：随温度或成分变化的相分布、密度、摩尔体积、热膨胀系数、线性膨胀、导热率、电阻率、导电率、杨氏模量、体积模量、剪切模量、泊松比、液体粘性、液体扩散性、焓、比热Gamma/Gamma失配：点阵参数、晶格错配曲线（镍基超合金、镍铁基超合金、单晶）堆垛层错能（通用钢、不锈钢、镍基超合金、镍铁基超合金、单晶）,普通性能计算扩充性能计算动力学相模拟Gamma/Gamma失配堆垛层错能计算,3.1普通性能计算,3.2扩充性能计算,3.2.1线性膨胀,3.3动力学相模拟计算,3.4Gamma/Gamma错配晶格常数,3.4Gamma/Gamma错配晶格失配,3.5堆垛层错能计算,4、机械性能计算,输出图表信息包括：硬度、屈服强度、抗拉强度随晶粒尺寸变化曲线，高温强度随温度变化曲线蠕变曲线、断裂寿命曲线应力-应变曲线（真应力、工程应力）,不锈钢、镍基合金可计算的性能包括：强度与硬度、高温强度、蠕变通用钢可计算的性能包括：端淬性、高温强度钛合金金可计算的性能包括：强度与硬度、高温强度,4.1强度与硬度,4.2应力-应变曲线,4.3高温强度,4.3.1高温状态下的应力-应变曲线,4.4蠕变计算,4.5端淬性,5、相转变金属热处理设计,TTT、CCT曲线（铝合金、铁合金、镍基合金、钛合金）等温转变（铝合金）能量转变（铁合金、钛合金）淬火性能（通用钢）马氏体转变（不锈钢）晶粒长大（镍基合金）连续冷却模拟（钛合金）,5.1TTT曲线,5.2CCT曲线,5.3铝合金等温转变曲线,5.4.1铁合金能量转变,5.4.2钛合金能量转变,5.5通用钢淬火性能（3310）,5.5.1屈服强度,5.5.2抗拉强度,5.5.3硬度,5.5.4淬火过程中相转变,5.6马氏体转变（不锈钢430F）,5.7晶粒长大（镍基合金）,5.8连续冷却模拟（钛合金）,6、不锈钢抗孔蚀性,7、实用功能（Utilities）,7.1转换工具,7.2马氏体转变与硬度,7.3应力-应变曲线,8、各种合金模块可计算性能,8.1铝合金可计算的性能,8.2镁合金可计算的性能,8.3铸铁可计算的性能,8.4通用钢可计算的性能,8.5不锈钢可计算的性能,8.6镍基、镍铁基合金可计算的性能,8.7单晶可计算的性能,8.8锆合金可计算的性能,三、计算原理与准确性讨论,动态物理模型的建立强大的金属材料数据库广泛且经实验验证的计算结果,Modellingpropertiesandbehaviour:JMatPro材料性能模拟：JMatPro,3.1ThermodynamicCalculations:Background热动力学计算原理,BasicequationfortheGibbsEnergyofamulti-componentSolutionPhase多元合金固溶相吉布斯自由能基本方程,Gibbsenergyofpurecomponents纯组元的吉布斯自由能,Idealentropy理想状态下的焓,Interactionterms(Basedonpairwiseinteractions)相互作用项（基于两两之间相互作用）,3.2PhaseTransformationKinetics:Model相转变动力学模型:(用于钢的),GeneralEquationforTTTcalculationisafterKirkaldyetal.(TTT计算的一般方程：Kirkaldyetal.),=2(G-1)/2,isanempiricalcoefficient,GistheASTMgrainsize,Disaneffectivediffusioncoefficient,Tistheundercooling,qisanexponent,dependentontheeffectivediffusionmechanismandxisthefractiontransformed.(=2(G-1)/2,是一个经验系数，G是晶粒尺寸，D是有效扩散系数，T是过冷度，q是一个取决于有效扩散机制的指数。X是转变的百分数),3.2.1Martensitictransformations马氏体转变,3.2.2PhaseTransformations(TTT/CCTdiagrams)相转变（TTT/CCT相图）,CalculatedTTTdiagramsforU720andU720LIwithexperimentalresultsofKeefeetal.superimposed.,对U720和U720LI所计算的TTT曲线与Keefeetal.的实验结果比较,3.2.2PhaseTransformations(TTT/CCTdiagrams)相转变（TTT/CCT相图）,718,CalculatedTTTdiagramforthesinglecrystalalloyRR2071withexperimentalresultsofRaeatal.superimposed,3.2.2PhaseTransformations(TTT/CCTdiagrams)相转变（TTT/CCT相图）,RR2071合金计算的TTT曲线与Raeatal.的实验结果的比较,3.2.3PhaseTransformations(g/gcoarsening)相转变（/晶粒的长大）,晶粒的计算长大率与实验得到的长大率的比较,3.3BackgroundtoPropertyCalculations物理/热物理性能计算背景知识,PropertyofaSolutionPhase固溶相性能,Propertyofpurecomponents纯组元时的性能,Interactionterms(Basedonpairwiseinteractions)相互作用项（基于相与相两两之间相互作用）,3.4MechanicalProperties机械性能,Twotypesofstrengtheningmechanismaretreated.可考虑两种强化机制Solidsolutionstrengthening.固溶强化Particlestrengthening.第二相粒子强化,3.4.1MechanicalProperties(PrecipitationHardening)机械性能（析出强化）,Theyieldstrengthofanalloyhardenedbygparticlescanbegivenbytheequationbelowforsmallparticles微小粒子对合金的屈服强度的强化效果可用以下方程来衡量,YS0andYS1=yieldstressofthematrixandalloyM=Taylorfactorb=burgersvector,A=shapedependentconstantd=ppt.diameter=linetensionofadislocationf=volfraction=APBenergyYS0和YS1=晶格屈服强度和合金屈服强度M=泰勒系数b=柏氏矢量A=形状因子常量d=析出粒子直径=位错的线张力f=体积分数=APB能量,Forlargerparticlestheequationbelowcanbeused对于大尺寸的粒子，强化效果用下面方程来衡量,=constantthataccountsforrepulsionofdislocationswithintheprecipitates(essentiallyanempiricallyadjustableparameter).=一个表明析出物内部位错间斥力的常数（实质上是一个经验系数）,3.4.1MechanicalProperties(PrecipitationHardening)机械性能（析出强化）,3.4.2MechanicalProperties机械性能,屈服强度的计算值与实验值的比较,3.4.3ComparisonofMechanicalPropertiesforNi-basedSuperalloys镍基超合金机械性能实验与计算值的比较,3.4.4AgeingResponseofaNi-basedSuperalloy(combiningcoarseningandpptnhardening)镍基超合金时效效应（综合晶粒长大和析出强化）,3.5HighTempMechanicalProperties(creep)高温机械性能（蠕变）,GeneralCreepEquation蠕变一般方程,A=MaterialconstantD=effectivediffusioncoeffSFE=stackingfaultenergyG=shearmodulusb=burgersvector=appliedstresso=backstressE=Youngsmodulusm=3n=creepexponent,A=材料常数D=有效扩散系数SFE=层错能G=剪切模量b=柏氏矢量=外加应力o=背应力E=杨氏模量m=3n=蠕变指数,3.5.1HighTempMechanicalProperties(creep)高温机械性能（蠕变）,蠕变率的计算值与实验值的比较,Asrupturestrengthisanalternativedesigncriterioninmanypracticalcases,thecalculationprocedurehasbeenextendedtoincludethispropertybyusinganinverserelationshipbetweenstressrupturelifeandsecondarycreeprate在许多实际情况中，断裂强度是一个可供选择的设计标准。我们的软件现在已经能够计算蠕变强度，这是通过利用蠕变断裂应力与蠕变率的对立关系间接得到的。,3.5.2HighTempMechanicalProperties(creep)高温机械性能（蠕变）,Comparisonbetweenexperimentalandcalculated1000hrrupturestrengthsforvariouswroughtNi-basedsuperalloys,3.5.3HighTempMechanicalProperties(creep)高温机械性能（蠕变）,成分不同的各种镍基超合金1000小时断裂强度实验值与计算值的比较。,Comparisonbetweenexperimentalandcalculatedrupturelifeforvarioussinglecrystalsuperalloys,3.5.4HighTempMechanicalProperties(creep)高温机械性能（蠕变）,各种单晶超合金断裂寿命的实验值与计算值的比较。,ThecreepcalculationshavebeencombinedwiththeearlierlowtemperatureyieldstresscalculationstomodeltheflowstressofNi-basedsuperalloysatraisedtemperatures.蠕变计算已经综合了早期低温屈服应力计算，用来模拟镍基超合金随温度升高时的流体应力。,3.6HighTempMechanicalProperties高温机械性能,ThedecayinRTyieldstresswithiswellmatchedusinganequationofthefollowingtype高温情况下，室温屈服应力的衰减与下面方程所给出的结果相吻合。,whereandareconstantsdirectlyrelatedtoRTandthevalueofQ,whichisdeterminedempiricallythroughregressionanalysis.,3.6HighTempMechanicalProperties高温机械性能,在这里，和都是与室温强度RT和激活能Q值直接相关的常量。Q值的大小一般是通过回归分析凭经验来确定的。,Asthetemperatureisraisedtohighlevelsthealloywillyieldviacreepwhenthestrainrateofthemechanicaltestisequaltoorslowerthanthecreeprateatthetestingtemperature.当温度升到较高的检测温度下，试验机的拉伸速率等于或小于蠕变速率时，合金将发生蠕变屈服。Thiscanbecombinedwiththepreviousrelationship,3.6HighTempMechanicalProperties高温机械性能,togivemechanicalpropertiesfromRTtothemeltingpoint把蠕变效应和其它因素结合起来，这样我们就可以给出从室温到材料熔点区间范围内材料的机械性能。,ComparisonbetweenexperimentalandcalculatedyieldstressforNimonic75and105asafunctionoftemperature.,3.6HighTempMechanicalProperties高温机械性能,75和105镍基合金实验与计算情况下强度随温度的变化的比较,ComparisonbetweenexperimentalandcalculatedyieldstressatforvariouswroughtsuperalloysandpureNibetweenRTand1000C.不同质量百分数的超合金以及纯镍在室温和1000C时,屈服应力的实验与计算值的比较,3.6HighTempMechanicalProperties高温机械性能,3.7更多计算原理信息,3.7更多计算原理信息,D:ProgramFilesJMatPro-4.0docspdfwww.sentesoftware.co.ukAboutus-Profile-Bibliography（参考书目）,3.8JMatPro与实验,模拟计算不等于替代实验模拟计算可减少实验次数模拟计算能预测材料性能变化趋势，从而可帮助科研人员快速准确的设计实验方案，通过几组数据验证模拟结果便能得到各种准确的材料性能，从而可以大量的减少实验费用，缩短项目开发时间！,3.9JMatPro、实验、查资料准确性讨论,JMatPro理想状态下的计算结果可能与特定实验条件下测试的结果存在小的偏差。实验过程中也可能因实验环境、人为因素、设备因素等造成实验结果与真实的材料性能存在一定的偏差。大部分资料库所给出的材料性能都是在一定实验条件下测出的，而且合金成分与对应的材料性能在某一范围内变化，从而影响了数据使用的准确性,四、软件应用范围、特点与发展展望,1、应用范围,能为许多材料成型CAE软件提供材料性能参数（如：Procast、Dynaform、Deform等）辅助科研人员进行合金设计辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）辅助科研人员进行热处理与