基于JMatPro软件的发动机曲轴常用材料相变动力学曲线计算

赵雯

摘 要：本文主要介绍了如何使用JMatPro软件对发动机曲轴常用材料的相变动力学曲线进行计算。首先，对发动机曲轴的常见材料进行了介绍，包括常用的材料类型及其性能特点。其次，阐述了相变动力学的理论框架和计算方法，并对发动机曲轴常用的45钢、40Cr、50Mn、35CrMo等材料的相变动力学曲线进行了计算，通过实际案例对计算过程进行了演示。最后，对相变动力学在发动机曲轴设计中的应用 进行了总结与展望。

关键词：JMatPro 发动机 曲轴材料 相变动力学

发动机曲轴是发动机中的关键部件，其在运行过程中承受着高应力、高转速和高温度等多种复杂载荷。因此，曲轴的材料选择和设计对于发动机的性能和可靠性具有重要影响[1]。发动机曲轴常用的材料包括钢、铝合金和镁合金等[1]。相变动力学主要研究材料在相变过程中的热力学和动力学行为，其在发动机曲轴设计中的应用能够提高曲轴的性能和寿命。JMatPro是一款广泛用于材料性能计算的软件，其能够模拟材料的相变过程和热力学性质，为发动机曲轴的设计提供重要参考。

1 发动机曲轴材料概述

发动机曲轴是发动机中非常重要的零部件之一，其性能和可靠性对发动机的运转起着至关重要的作用。常用的发动机曲轴材料包括钢、球墨铸铁和铝合金等，不同材料有其各自特点。因此，根据发动机的功率、转速和可靠性要求等因素，选择合适的曲轴材料是非常重要的。

钢是发动机曲轴最常用的材料之一。钢具有高的强度、硬度和耐疲劳性能，适合用于制造高强度的曲轴。常见的钢的种类包括碳素钢、合金钢和渗碳钢等。碳素钢是最常用的发动机曲轴材料之一，其通过热处理可以获得高强度和硬度，同时保持足够的韧性。合金钢则含有一定量的合金元素，如锰、硅和铬等，这些元素可以提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性。渗碳钢则是在低碳钢表面渗入一定量的碳，以提高材料的表面硬度和耐磨性。

球墨铸铁也是常用的发动机曲轴材料之一。球墨铸铁具有高的强度、硬度和耐磨性，同时具有较低的密度和成本，因此适合用于制造中低强度的曲轴。球墨铸铁的制造过程比较复杂，需要将铁水加入到石墨模具中，形成球状石墨，然后进行热处理和机械加工等工序。

铝合金是近年来逐渐应用于发动机曲轴材料的材料之一。铝合金具有轻量化、高强度、耐腐蚀和易加工等优点，因此适合用于制造轻量化的曲轴。常见的铝合金包括铝硅合金、铝铜合金和铝镁合金等。铝硅合金具有较好的机械性能和耐腐蚀性，因此最常用于发动机曲轴的制造。

2 相变动力学理论概述

相变动力学理论是研究物质在相变过程中动力学行为的理论。相变是指物质在一定条件下从一种物态转化为另一种物态的过程，例如固体转化为液体、液体转化为气体等。相变动力学理论涉及到物质的微观结构和宏观性质，以及相变过程中的热力学和动力学机制。

相变动力学理论的研究内容主要包括相变温度、相变压力、相变时间、相变过程的动力学行为等。其中，相变温度是相变过程中的关键参数，它决定了物质在相变过程中的热力学性质和动力学行为。相变压力和相变时间也是影响相变过程的重要因素，相变压力决定了物质的密度和结构，相变时间则影响了相变过程的速度和过程。在相变动力学理论中，相变过程可以分成三个阶段：起始阶段、持续阶段和结束阶段。起始阶段是指相变开始前的准备阶段，这个阶段需要一定的预热时间，以便物质达到相变温度。持续阶段是指相变过程中的主要阶段，这个阶段需要一定的时间来完成相变过程。结束阶段是指相变结束后的冷却阶段，这个阶段需要控制冷却速度，以避免产生过大的温度梯度。

相变动力学理论在材料科学、物理学、化学、生物学等多个领域都有广泛应用。

在本文中，可通過相变动力学理论对发动机曲轴常用材料的相变动力学曲线进行计算，了解金属材料的相变过程。设计发动机曲轴时，主要是通过控制相变温度和相变速度，来提高材料的强度和韧性。因此，可以通过进一步研究相变动力学在曲轴材料和结构中的应用，为发动机曲轴的设计和优化提供更多可能性。

3 相变动力学曲线计算

JMatPro是一款由Sander et al.开发的功能强大的材料性能计算软件，其能够模拟材料的热力学和动力学性质，包括相变过程、力学性能、热力学性能和电学性能等。该软件采用基于密度泛函理论（DFT）的从头算方法，能够对各种材料进行精确的计算和模拟，包括金属、陶瓷、高分子等。

基于JMatPro的相变动力学曲线的计算方法主要基于热力学原理和动力学模型。其中，热力学原理用于描述材料在相变过程中的能量变化和相平衡条件，而动力学模型则用于描述材料在相变过程中的速率变化和动力学行为。在实际软件的计算中，通过数值模拟的方法，对曲轴材料的相变动力学曲线进行计算和预测。

3.1 发动机曲轴常用材料选择

本文以发动机曲轴最常用的钢材为研究对象，选取45钢、40Cr、50Mn、35CrMo等四种曲轴材料，计算其相变动力学曲线，分析不同材料的性能。三种材料的化学成分含量如表1所示。

3.2 计算过程

（1）计算模型建立

在Material Types选项卡中，选择General Steel即普通钢材模块，分别输入45钢、40Cr、50Mn、35CrMo等四种材料的化学成分含量，建立计算模型。

（2）参数设定

在普通钢材模块中，有Thermodynamic properties（热力学性质）、Solidification（凝固）、Thermo-Physical Properties（热物理性能）、Mechanical Properties（机械性能）、Phase transformation（相变）等模块，根据需要计算的性能选择相应模块，设定晶粒度、初始温度、降温速率、应力状态等参数。

（3）模拟计算

根据设定的参数，使用软件进行模拟计算，得到45钢、40Cr、50Mn、35CrMo在不同条件下的相变动力学曲线。

3.3 计算结果分析

本文以计算相变动力学曲线为例，选择Phase transformation（相变）模块中的的TTT/CCT选项，输入晶粒度为9，冷却温度为870℃，分别计算出45钢、40Cr、50Mn、35CrMo等四种材料的CCT曲线和TTT曲线，如图1至图4所示。

由图1可知，当晶粒度为9，在870℃进行冷却直至冷却结束时，45钢的过冷奥氏体组织会转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体。铁素体、珠光体、贝氏体开始形成的温度分别在767.3℃、722.9℃和590.2℃，马氏体开始形成的温度在343.4℃，在308.5℃和227.5℃时，分别形成50％和90％以上的马氏体。

由图2可知，当晶粒度为9，在870℃进行冷却直至冷却结束时，40Cr的过冷奥氏体组织会转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体。铁素体、珠光体、贝氏体开始形成的温度分别在778.3℃、745.7℃和569.6℃，马氏体开始形成的温度在336.3℃，在301.2℃和219.7℃时，分别形成50％和90％以上的马氏体。

由图3可知，当晶粒度为9，在870℃进行冷却直至冷却结束时，50Mn的过冷奥氏体组织会转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体。铁素体、珠光体、贝氏体开始形成的温度分别在749.2℃、724.7℃和550.4℃，马氏体开始形成的温度在285.0℃，在248.4℃和163.2℃时，分别形成50％和90％以上的马氏体。

由图4可知，当晶粒度为9，在870℃进行冷却直至冷却结束时，35CrMo的过冷奥氏体组织会转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体。铁素体、珠光体、贝氏体开始形成的温度分别在792.4℃、747.0℃和581.5℃，马氏体开始形成的温度在355.6℃，在321.1℃和240.8℃时，分别形成50％和90％以上的马氏体。

4 结论

本文系统地介绍了如何使用JMatPro软件进行发动机曲轴材料相变动力学曲线的计算。通过对相变动力学理论的分析和对45钢、40Cr、50Mn、35CrMo等四种钢材的CCT曲线和TTT曲线的计算，展示了相变动力学在发動机曲轴材料研究中的应用。未来，可以通过进一步研究相变动力学在其他材料和结构中的应用，为发动机曲轴材料的选择、曲轴的设计和优化提供更多可能性。

基金项目：贵州省教育厅高等学校科学研究项目（青年项目），项目名称：基于喀斯特地貌的溶洞水下环境探测机器人设计与研究，项目合同编号：黔教技[2022]395号。

参考文献：

[1]董世知. 机械零件耐磨层生成机理及试验研究[D].辽宁工程技术大学，2016.DOI：10.27210/d.cnki.glnju.2016.000103.