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中國科學院金屬研究所徐東生研究員等：Ti60合金微觀組織演變及力學性能預測的模擬研究

2025-08-26 15:45:16 作者：張金虎來源：材料開發與應用分享至：

Ti60合金微觀組織演變及力學

性能預測的模擬研究

張金虎¹，李學雄¹，許海生¹，趙子博^1,2，徐東生¹，董利民¹，王清江¹，楊銳¹

(1.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110016；2.寶雞西工鈦合金制品有限公司昱華先進材料研究院，陜西寶雞 721300)

摘要：通過模擬的方法對Ti60合金的組織及力學性能進行預測已成為材料研發的重要手段。本研究將Ti60合金折算為Ti-Al-Mo三元合金體系，通過建立相應的熱動力學數據框架和多相場動力學模型，描述了Ti60合金雙態微觀組織的演變，并結合晶體塑性有限元模型評估了其力學性能。研究表明，隨著熱處理溫度升高，體系內初生與次生α相的體積分數均降低，內應力對變體的選擇作用增強。同時，Al元素在α相中的富集程度提高，而Mo元素相對貧乏。在雙態微觀組織變形過程中，β相是高應力分配相，次生α相周圍易發生應力集中，且初生α相的平均應變顯著高于次生α相的。隨著溫度升高，片層增厚，變體選擇效應增強，導致應力協調性和分布均勻性降低，加劇了應變分布的不均勻性，使合金塑性降低。本研究為通過熱處理工藝優化Ti60合金的顯微組織和力學性能提供了理論依據。

關鍵詞：Ti60合金；組織演變；性能評估；相場；晶體塑性

文中主要圖表

（序號為文中序號）

圖1 Ti- 15.17Al-0.38Mo合金隨

溫度變化時的相體積分數情況

圖2 Ti-15. 17Al-0.38Mo合金隨溫度

變化的α與β相的吉布斯自由能曲線

圖3 10 000時間步時初生α相形貌

圖4 不同溫度下初生α相的體積分數

圖5 1 250~1 290 K，10 000時間步時

顯微組織、Al及Mo元素分布演化過程

圖6 不同溫度條件下組織演化后

拉伸壓縮真應力-真應變曲線

圖7 不同溫度條件下組織演化后變體及

相體積分數

圖8 不同溫度條件下組織演化后變形云圖

結論

本研究對Ti60合金微觀組織演變及其力學性能預測進行了模擬研究，通過鋁當量與鉬當量換算，確定以Ti-15.17Al-0.38Mo(原子分數, %)近似代表Ti60合金作為模擬目標合金，得到的主要結論如下：

（1）建立了可描述Ti60合金雙態組織演變的多相場動力學模型。同時，輸出的微觀組織構型可輸入到晶體塑性有限元模型中對其力學性能進行預測。

（2）隨熱處理溫度升高，即過冷度降低，合金體系內α相的體積分數減小，其中初生α相的體積分數也逐漸減小，但內應力對變體的選擇效應卻增強。Al元素在α相內的富集程度提高，而Mo元素則相對貧乏。

（3）雙態組織變形時，β相是高應力分配相，較小的次生α相周圍容易造成應力集中；初生α相的平均應變明顯高于次生α相的。隨溫度升高，微觀組織的片層厚度增加，變體選擇效應加強，降低了合金的應力協調性和分布均勻性，加劇了應變分布的不均勻性和差異分配特征，使合金塑性降低。

綜上，本研究基于熱處理制度對Ti60合金顯微組織結構進行調控，為進一步改善和優化合金的力學性能提供模型與數據基礎。

本文引用格式

張金虎, 李學雄, 許海生, 等. Ti60合金微觀組織演變及力學性能預測的模擬研究[J]. 材料開發與應用, 2025, 40(3): 92-100+113.

ZHANG J H, LI X X, XU H S, et al. Simulation study on microstructure evolution and mechanical property prediction of Ti60 alloy[J]. Development and Application of Materials, 2025, 40(3): 92-100+113.

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