基于JMatPro軟件的發(fā)動機曲軸常用材料相變動力學(xué)曲線計算

趙雯

摘 要：本文主要介紹了如何使用JMatPro軟件對發(fā)動機曲軸常用材料的相變動力學(xué)曲線進行計算。首先，對發(fā)動機曲軸的常見材料進行了介紹，包括常用的材料類型及其性能特點。其次，闡述了相變動力學(xué)的理論框架和計算方法，并對發(fā)動機曲軸常用的45鋼、40Cr、50Mn、35CrMo等材料的相變動力學(xué)曲線進行了計算，通過實際案例對計算過程進行了演示。最后，對相變動力學(xué)在發(fā)動機曲軸設(shè)計中的應(yīng)用 進行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：JMatPro 發(fā)動機 曲軸材料 相變動力學(xué)

發(fā)動機曲軸是發(fā)動機中的關(guān)鍵部件，其在運行過程中承受著高應(yīng)力、高轉(zhuǎn)速和高溫度等多種復(fù)雜載荷。因此，曲軸的材料選擇和設(shè)計對于發(fā)動機的性能和可靠性具有重要影響[1]。發(fā)動機曲軸常用的材料包括鋼、鋁合金和鎂合金等[1]。相變動力學(xué)主要研究材料在相變過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)行為，其在發(fā)動機曲軸設(shè)計中的應(yīng)用能夠提高曲軸的性能和壽命。JMatPro是一款廣泛用于材料性能計算的軟件，其能夠模擬材料的相變過程和熱力學(xué)性質(zhì)，為發(fā)動機曲軸的設(shè)計提供重要參考。

1 發(fā)動機曲軸材料概述

發(fā)動機曲軸是發(fā)動機中非常重要的零部件之一，其性能和可靠性對發(fā)動機的運轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。常用的發(fā)動機曲軸材料包括鋼、球墨鑄鐵和鋁合金等，不同材料有其各自特點。因此，根據(jù)發(fā)動機的功率、轉(zhuǎn)速和可靠性要求等因素，選擇合適的曲軸材料是非常重要的。

鋼是發(fā)動機曲軸最常用的材料之一。鋼具有高的強度、硬度和耐疲勞性能，適合用于制造高強度的曲軸。常見的鋼的種類包括碳素鋼、合金鋼和滲碳鋼等。碳素鋼是最常用的發(fā)動機曲軸材料之一，其通過熱處理可以獲得高強度和硬度，同時保持足夠的韌性。合金鋼則含有一定量的合金元素，如錳、硅和鉻等，這些元素可以提高材料的強度、硬度和耐腐蝕性。滲碳鋼則是在低碳鋼表面滲入一定量的碳，以提高材料的表面硬度和耐磨性。

球墨鑄鐵也是常用的發(fā)動機曲軸材料之一。球墨鑄鐵具有高的強度、硬度和耐磨性，同時具有較低的密度和成本，因此適合用于制造中低強度的曲軸。球墨鑄鐵的制造過程比較復(fù)雜，需要將鐵水加入到石墨模具中，形成球狀石墨，然后進行熱處理和機械加工等工序。

鋁合金是近年來逐漸應(yīng)用于發(fā)動機曲軸材料的材料之一。鋁合金具有輕量化、高強度、耐腐蝕和易加工等優(yōu)點，因此適合用于制造輕量化的曲軸。常見的鋁合金包括鋁硅合金、鋁銅合金和鋁鎂合金等。鋁硅合金具有較好的機械性能和耐腐蝕性，因此最常用于發(fā)動機曲軸的制造。

2 相變動力學(xué)理論概述

相變動力學(xué)理論是研究物質(zhì)在相變過程中動力學(xué)行為的理論。相變是指物質(zhì)在一定條件下從一種物態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種物態(tài)的過程，例如固體轉(zhuǎn)化為液體、液體轉(zhuǎn)化為氣體等。相變動力學(xué)理論涉及到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)，以及相變過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)機制。

相變動力學(xué)理論的研究內(nèi)容主要包括相變溫度、相變壓力、相變時間、相變過程的動力學(xué)行為等。其中，相變溫度是相變過程中的關(guān)鍵參數(shù)，它決定了物質(zhì)在相變過程中的熱力學(xué)性質(zhì)和動力學(xué)行為。相變壓力和相變時間也是影響相變過程的重要因素，相變壓力決定了物質(zhì)的密度和結(jié)構(gòu)，相變時間則影響了相變過程的速度和過程。在相變動力學(xué)理論中，相變過程可以分成三個階段：起始階段、持續(xù)階段和結(jié)束階段。起始階段是指相變開始前的準(zhǔn)備階段，這個階段需要一定的預(yù)熱時間，以便物質(zhì)達到相變溫度。持續(xù)階段是指相變過程中的主要階段，這個階段需要一定的時間來完成相變過程。結(jié)束階段是指相變結(jié)束后的冷卻階段，這個階段需要控制冷卻速度，以避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。

相變動力學(xué)理論在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

在本文中，可通過相變動力學(xué)理論對發(fā)動機曲軸常用材料的相變動力學(xué)曲線進行計算，了解金屬材料的相變過程。設(shè)計發(fā)動機曲軸時，主要是通過控制相變溫度和相變速度，來提高材料的強度和韌性。因此，可以通過進一步研究相變動力學(xué)在曲軸材料和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，為發(fā)動機曲軸的設(shè)計和優(yōu)化提供更多可能性。

3 相變動力學(xué)曲線計算

JMatPro是一款由Sander et al.開發(fā)的功能強大的材料性能計算軟件，其能夠模擬材料的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)，包括相變過程、力學(xué)性能、熱力學(xué)性能和電學(xué)性能等。該軟件采用基于密度泛函理論（DFT）的從頭算方法，能夠?qū)Ω鞣N材料進行精確的計算和模擬，包括金屬、陶瓷、高分子等。

基于JMatPro的相變動力學(xué)曲線的計算方法主要基于熱力學(xué)原理和動力學(xué)模型。其中，熱力學(xué)原理用于描述材料在相變過程中的能量變化和相平衡條件，而動力學(xué)模型則用于描述材料在相變過程中的速率變化和動力學(xué)行為。在實際軟件的計算中，通過數(shù)值模擬的方法，對曲軸材料的相變動力學(xué)曲線進行計算和預(yù)測。

3.1 發(fā)動機曲軸常用材料選擇

本文以發(fā)動機曲軸最常用的鋼材為研究對象，選取45鋼、40Cr、50Mn、35CrMo等四種曲軸材料，計算其相變動力學(xué)曲線，分析不同材料的性能。三種材料的化學(xué)成分含量如表1所示。

3.2 計算過程

（1）計算模型建立

在Material Types選項卡中，選擇General Steel即普通鋼材模塊，分別輸入45鋼、40Cr、50Mn、35CrMo等四種材料的化學(xué)成分含量，建立計算模型。

（2）參數(shù)設(shè)定

在普通鋼材模塊中，有Thermodynamic properties（熱力學(xué)性質(zhì)）、Solidification（凝固）、Thermo-Physical Properties（熱物理性能）、Mechanical Properties（機械性能）、Phase transformation（相變）等模塊，根據(jù)需要計算的性能選擇相應(yīng)模塊，設(shè)定晶粒度、初始溫度、降溫速率、應(yīng)力狀態(tài)等參數(shù)。

（3）模擬計算

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，使用軟件進行模擬計算，得到45鋼、40Cr、50Mn、35CrMo在不同條件下的相變動力學(xué)曲線。

3.3 計算結(jié)果分析

本文以計算相變動力學(xué)曲線為例，選擇Phase transformation（相變）模塊中的的TTT/CCT選項，輸入晶粒度為9，冷卻溫度為870℃，分別計算出45鋼、40Cr、50Mn、35CrMo等四種材料的CCT曲線和TTT曲線，如圖1至圖4所示。

由圖1可知，當(dāng)晶粒度為9，在870℃進行冷卻直至冷卻結(jié)束時，45鋼的過冷奧氏體組織會轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。鐵素體、珠光體、貝氏體開始形成的溫度分別在767.3℃、722.9℃和590.2℃，馬氏體開始形成的溫度在343.4℃，在308.5℃和227.5℃時，分別形成50％和90％以上的馬氏體。

由圖2可知，當(dāng)晶粒度為9，在870℃進行冷卻直至冷卻結(jié)束時，40Cr的過冷奧氏體組織會轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。鐵素體、珠光體、貝氏體開始形成的溫度分別在778.3℃、745.7℃和569.6℃，馬氏體開始形成的溫度在336.3℃，在301.2℃和219.7℃時，分別形成50％和90％以上的馬氏體。

由圖3可知，當(dāng)晶粒度為9，在870℃進行冷卻直至冷卻結(jié)束時，50Mn的過冷奧氏體組織會轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。鐵素體、珠光體、貝氏體開始形成的溫度分別在749.2℃、724.7℃和550.4℃，馬氏體開始形成的溫度在285.0℃，在248.4℃和163.2℃時，分別形成50％和90％以上的馬氏體。

由圖4可知，當(dāng)晶粒度為9，在870℃進行冷卻直至冷卻結(jié)束時，35CrMo的過冷奧氏體組織會轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體、貝氏體及馬氏體。鐵素體、珠光體、貝氏體開始形成的溫度分別在792.4℃、747.0℃和581.5℃，馬氏體開始形成的溫度在355.6℃，在321.1℃和240.8℃時，分別形成50％和90％以上的馬氏體。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了如何使用JMatPro軟件進行發(fā)動機曲軸材料相變動力學(xué)曲線的計算。通過對相變動力學(xué)理論的分析和對45鋼、40Cr、50Mn、35CrMo等四種鋼材的CCT曲線和TTT曲線的計算，展示了相變動力學(xué)在發(fā)動機曲軸材料研究中的應(yīng)用。未來，可以通過進一步研究相變動力學(xué)在其他材料和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，為發(fā)動機曲軸材料的選擇、曲軸的設(shè)計和優(yōu)化提供更多可能性。

基金項目：貴州省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項目（青年項目），項目名稱：基于喀斯特地貌的溶洞水下環(huán)境探測機器人設(shè)計與研究，項目合同編號：黔教技[2022]395號。

參考文獻：

[1]董世知. 機械零件耐磨層生成機理及試驗研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2016.DOI：10.27210/d.cnki.glnju.2016.000103.