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1、计算机在材料科学与工程中的应用,叶卫平,第六章 材料工艺工程的计算机模拟,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,本 章 要 点,组织转变的计算机模拟,材料热加工模拟,相平衡计算方法-相图计算,相图计算发展和软件介绍,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。,30s-40s-800余TTT和CCT图。70s，计算机模拟技术开展，使材料的组织转变数值模拟提到日程上来，TTT曲线和CCT曲线为组织转变提供了两种不同的模
2、拟途径。,TTT(Time-Temperature-Transformation)曲线；CCT (Continuous Cooling Transformation)曲线,基本概念,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,CCT曲线特点 1)钢的转变产物，如铁素体(F)、珠光体(P)、贝氏体(B)和马氏体(M)； 2)转变产物的临界冷速； 3)各种组织转变开始与终了时间、温度及转变量。,用CCT曲线模拟,亚共析钢的CCT曲线示意图,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转
3、变的计算机模拟,实际冷却相组织转变,组织转变量与温度成线性关系,组织转变量与时间的对数成线性关系,式中s，f分别为转变开始、终了时间；i为实际冷却瞬时时间,式中V0为组织的最大转变量；Ts，Tf分别为转变开始、终了温度；Ti为实际冷却瞬时温度。,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,模拟计算过程如下： 1) 计算瞬时冷却速度 2) 计算相组织的转变量。,采用分段计算平均冷速代替瞬时冷速示意图,模拟计算要点,第一段计算起始点,第二段计算起始点,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6
4、.1 组织转变的计算机模拟,用(TTT)曲线模拟,测在各温度等温转变动力学曲线。取f=0.05的时间0.05为转变开始时间，取f=0.95的时间0.95为转变终了时间。即得TTT图。,等温转变动力学曲线,TTT曲线,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,Johnson-Mehl-Avrami模型,组织转变量与温度成线性关系,式中f为转变体积分数，为等温时间，系数b和n为与材料本性、工艺过程有关的常数，取决于I (形核率)和G(生长速率)。,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.
5、1 组织转变的计算机模拟,现状和发展,计算机辅助工程（CAE）模拟 -钢铁的等温时奥氏体分解的Kirkaldy模型,JMatPro现在能够计算许多CAE模拟所必需的物理性能和力学性能。,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,JMatPro模拟举例1,合金22MnB5钢，其化学成分为（wt%）: Fe-0.24C-0.17Cr-1.14Mn-0.27Si-0.036Ti-0.003B-0.015P-0.001S。模拟此工艺过程所需的材料性能可以归为三类：相变动力学，物理性能和力学性能。 奥氏体化温度900，其奥氏体晶粒尺寸A
6、STM 7.5,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,JMatPro模拟举例1,合金22MnB5钢，其化学成分为（wt%）: Fe-0.24C-0.17Cr-1.14Mn-0.27Si-0.036Ti-0.003B-0.015P-0.001S。模拟此工艺过程所需的材料性能可以归为三类：相变动力学，物理性能和力学性能。 奥氏体化温度900，其奥氏体晶粒尺寸ASTM 7.5,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,JMatPro模拟举例1,合金22MnB5钢
7、，其化学成分为（wt%）: Fe-0.24C-0.17Cr-1.14Mn-0.27Si-0.036Ti-0.003B-0.015P-0.001S。模拟此工艺过程所需的材料性能可以归为三类：相变动力学，物理性能和力学性能。 奥氏体化温度900，其奥氏体晶粒尺寸ASTM 7.5,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,JMatPro模拟举例1,合金22MnB5钢，其化学成分为（wt%）: Fe-0.24C-0.17Cr-1.14Mn-0.27Si-0.036Ti-0.003B-0.015P-0.001S。模拟此工艺过程所需的材料
8、性能可以归为三类：相变动力学，物理性能和力学性能。 奥氏体化温度900，其奥氏体晶粒尺寸ASTM 7.5,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.1 组织转变的计算机模拟,JMatPro模拟举例2,屈服强度与晶粒尺寸的关系，Hall-Petch公式：,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.2 材料热加工模拟,模拟意义,物理模拟及数值模拟是使材料科学研究由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁。,预测并保证材料热加工过程质量的先进手段 。 “一次制造成功”。,制造业的发展及制造模式的变革离不开热
9、加工的技术进步。,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.2 材料热加工模拟,模拟发展历程,1962年，丹麦 Forsund首次采用有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算。美国Mihcigan大学的Marrnoe以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。并从铸造逐步扩展到锻造、焊接、热处理。,我国从78年开始铸件凝固数值模拟研究，已形成了我国凝固模拟技术研究的特色。,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,6.2 材料热加工模拟,模拟发展历程,铸件凝固数值模拟发展至今可分为3个阶段：,1）基础研究阶段,2）预测研究阶段,3）优化工艺设计阶段-铸造工艺CAD,铸造工艺CAD包括4个部分，凝固过程数值模拟(热场模拟)、充型过程数值模拟(流场模拟)、热应力及残余热应力数值模拟(力场模拟)和微观模拟(组织模拟)。,计算机在材料科学与工程中的应用 第六章 材料工艺工程的计算机模拟 http:/,
