本书为“航空材料科学与工程丛书”之一。作者以钛合金的集成计算设计为载体，横跨电子-原子尺度、微观-介观尺度和宏观尺度，系统介绍了合金材料成分和组织预测以及制备和服役行为的仿真计算方法，强调了集成计算对于钛合金的合金材料高效设计和性能突破的重要意义，并展望了航空钛合金新材料设计的发展趋势。本书共6章，第1章概述了航空钛合金及其设计方法的发展，第2章介绍了目前学界和工业界常用的多尺度计算方法与工具，第3章介绍了航空钛合金的成分和组织设计，第4章聚焦航空钛合金的热加工工艺仿真，第5章围绕航空钛合金的使用性能预测展开，第6章则给出了具体的航空钛合金集成计算设计与应用案例。
样章试读
目录
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总序
前言
第1章 航空钛合金材料发展概述 1
1.1 航空钛合金的分类 1
1.1.1 基于相组成的钛合金分类 1
1.1.2 基于应用特性的航空钛合金分类 6
1.2 航空钛合金发展历程 7
1.2.1 国外航空钛合金的发展与应用 7
1.2.2 国内航空钛合金的发展与应用 20
1.3 先进航空钛合金研究与设计方法展望 31
1.3.1 钛合金在航空领域的发展趋势 31
1.3.2 集成计算技术在研制过程中的应用 34
1.3.3 航空钛合金材料设计的发展趋势 36
1.4 本章小结 37
参考文献 37
第2章 常用多尺度计算方法与工具 40
2.1 第一性原理 40
2.2 分子动力学 41
2.2.1 分子动力学的基本原理 41
2.2.2 原子间相互作用势 42
2.2.3 分子动力学模拟基本算法 44
2.2.4 模拟的边界条件 45
2.3 计算热力学 46
2.3.1 计算热力学的历史与发展 46
2.3.2 计算热力学的理论基础 47
2.3.3 计算热力学方法 48
2.3.4 计算热力学在材料科学中的应用 51
2.4 相场模拟 53
2.4.1 基本思想与方法特点 53
2.4.2 序参量、守恒变量与自由能泛函 54
2.4.3 相场动力学方程与多物理耦合 56
2.4.4 数值实现与建模流程 58
2.4.5 相场方法在钛合金中的典型应用 59
2.4.6 与其他计算方法/工具的耦合与参数来源 60
2.5 晶体塑性模型 61
2.5.1 晶体塑性理论概述 61
2.5.2 单晶与多晶塑性本构模型 63
2.5.3 晶体塑性有限元数值实现 66
2.5.4 晶体塑性的典型应用场合 66
2.6 宏观唯象本构模型 66
2.6.1 基本组成与通用形式 67
2.6.2 热加工常用流动应力表达 68
2.6.3 组织效应与软化行为的宏观等效 69
2.6.4 参数标定、工程实现与适用性 70
2.7 本章小结 71
参考文献 71
第3章 航空钛合金的成分和组织设计 73
3.1 合金蠕变的基本理论概述 73
3.1.1 蠕变的基本特征 73
3.1.2 蠕变的分类和机制 76
3.2 钛合金强韧化与蠕变机制的第一性原理计算 78
3.2.1 合金元素对合金强化作用的计算评估 78
3.2.2 不同合金元素对扩散及蠕变行为影响的第一性原理计算 82
3.2.3 合金原子在典型有序钛基化合物中的占位行为 85
3.3 高温钛合金热力学计算与模型合金成分设计 88
3.3.1 背景与需求 88
3.3.2 不同合金元素对钛合金α/β相变的影响 88
3.3.3 合金元素对钛合金中纳米析出相的影响 90
3.3.4 合金凝固相关元素偏析的热力学计算 94
3.4 钛合金形变与相变机制的分子动力学模拟 96
3.4.1 钛合金中晶界和相界的构建、能量及力学行为模拟 96
3.4.2 钛中β/β晶界的结构、能量和力学响应 96
3.4.3 钛合金中位错诱导相变形核机理及强韧性关联 98
3.5 纳米析出相对力学行为影响的原子机制模拟 100
3.6 本章小结 107
参考文献 108
第4章 航空钛合金的热加工工艺仿真 111
4.1 钛合金铸造工艺仿真 111
4.1.1 钛合金铸造工艺仿真概述 111
4.1.2 钛合金铸造工艺数值模拟技术 112
4.1.3 钛合金铸造工艺数值模拟模型 114
4.1.4 钛合金铸造工艺数值模拟缺陷判据 116
4.1.5 钛合金铸造工艺仿真应用案例 116
4.2 钛合金锻造与热处理工艺仿真 130
4.2.1 锻造工艺数值模拟概述 130
4.2.2 热处理工艺数值模拟概述 136
4.2.3 锻造-热处理的集成模拟 138
4.2.4 钛合金锻造与热处理仿真应用案例 140
4.3 本章小结 172
参考文献 172
第5章 航空钛合金的使用性能预测 175
5.1 钛合金使用性能预测的晶体塑性模型 175
5.1.1 耦合物理机理的晶体塑性本构模型 176
5.1.2 初始微观组织建模 184
5.2 钛合金力学行为的多尺度实验验证与参数确定 186
5.2.1 钛合金微柱压缩的晶体塑性模拟与实验验证 186
5.2.2 钛合金单晶纳米压痕晶体塑性模拟与实验验证 189
5.2.3 力学性能预测模型在不同钛合金中的实验验证 190
5.3 基于晶体塑性的钛合金使用性能预测 196
5.3.1 钛合金拉伸强度性能预测 196
5.3.2 钛合金蠕变性能预测 200
5.4 基于人工智能模型的性能预测 202
5.4.1 数据驱动的性能预测 203
5.4.2 人工智能与物理模型的结合 204
5.4.3 应用前景与挑战 207
5.5 本章小结 208
参考文献 208
第6章 钛合金的集成计算设计与应用 210
6.1 高温钛合金设计的跨尺度集成计算框架 210
6.2 基于跨尺度计算的多组元高温钛合金设计 212
6.3 基于跨尺度计算的工艺和微观组织设计 218
6.4 多组元高温钛合金设计的实验验证 224
6.5 本章小结 229
参考文献 229
关键词索引 230
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