Chapter3材料科學(xué)與行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬解析課件

1、計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用第3章 材料科學(xué)與行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬王建剛第1頁(yè)，共40頁(yè)。本 章 要 點(diǎn)3.1 組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬3.4 計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用3.2 計(jì)算機(jī)相平衡計(jì)算方法3.3 相圖計(jì)算發(fā)展和軟件介紹計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第2頁(yè)，共40頁(yè)。3.1 組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬70s，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)開展，使材料的組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬提到日程上來，TTT曲線和CCT曲線為組織轉(zhuǎn)變提供了兩種不同的模擬途徑。 TTT(Time-Temperature-Transformation)曲線：鋼在快速冷卻至不同溫度下

2、等溫停留過程中組織轉(zhuǎn)變情況，顯示不同溫度下轉(zhuǎn)變特征。 CCT (Continuous Cooling Transformation)曲線：鋼在不同冷卻速度下的連續(xù)冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變情況。一、TTT和CCT曲線 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第3頁(yè)，共40頁(yè)。1.CCT曲線特點(diǎn)1)鋼的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，如鐵素體(F)、珠光體(P)、貝氏體(B)和馬氏體(M)；2)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的臨界冷速；3)各種組織轉(zhuǎn)變開始與終了時(shí)間、溫度及轉(zhuǎn)變量。二、采用CCT曲線模擬亞共析鋼的CCT曲線示意圖 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第4頁(yè)，共40頁(yè)。3.1

3、組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬1） 組織轉(zhuǎn)變量與溫度成線性關(guān)系2） 組織轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系式中s，f分別為轉(zhuǎn)變開始、終了時(shí)間；i為實(shí)際冷卻瞬時(shí)時(shí)間式中V0為組織的最大轉(zhuǎn)變量；Ts，Tf分別為轉(zhuǎn)變開始、終了溫度；Ti為實(shí)際冷卻瞬時(shí)溫度。2. 真實(shí)冷卻轉(zhuǎn)變過程 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第5頁(yè)，共40頁(yè)。采用分段平均冷速代替瞬時(shí)冷速，分兩段：第一段將材料臨界點(diǎn)溫度作為起始點(diǎn)；第二段將轉(zhuǎn)變開始溫度作為起始點(diǎn)。模擬計(jì)算過程如下：1) 計(jì)算瞬時(shí)冷卻速度2) 計(jì)算第二段瞬時(shí)冷卻速度。采用分段計(jì)算平均冷速代替瞬時(shí)冷速示意圖第一段計(jì)算起始點(diǎn)第二段計(jì)算起始點(diǎn)3. 模擬計(jì)算

4、要點(diǎn)vi=Ac1-Tii-0vi=Ts-Tii-s3) 計(jì)算轉(zhuǎn)變終了溫度及最大轉(zhuǎn)變量4) 計(jì)算馬氏體轉(zhuǎn)變量 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第6頁(yè)，共40頁(yè)。三、采用(TTT)曲線模擬1.等溫轉(zhuǎn)變(TTT)曲線測(cè)在各溫度等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線。取f=0.05的時(shí)間0.05為轉(zhuǎn)變開始時(shí)間，取f=0.95的時(shí)間0.95為轉(zhuǎn)變終了時(shí)間。即得TTT圖。等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線TTT曲線 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第7頁(yè)，共40頁(yè)。6.1 組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬2. 等溫轉(zhuǎn)變過程的數(shù)學(xué)模型如形核率及生長(zhǎng)速度不為常數(shù)，而是隨時(shí)間改變，則有Avr

5、ami方程：式中f為轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)，為等溫時(shí)間，系數(shù)b和n為與材料本性、工藝過程有關(guān)的常數(shù)，取決于I (形核率)和G(生長(zhǎng)速率)。若等溫轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型轉(zhuǎn)變，Johnson-Mehl模型式中，I為形核率，G為生長(zhǎng)速度。若等溫轉(zhuǎn)變?yōu)榉菙U(kuò)散型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變量與溫度的關(guān)系可表示為： 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第8頁(yè)，共40頁(yè)。四、模擬程序設(shè)計(jì)1. 按CCT模擬程序設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第9頁(yè)，共40頁(yè)。2. 用TTT模擬連續(xù)冷卻程序設(shè)計(jì)fi+1為Ti+1溫度下保持 時(shí)刻的轉(zhuǎn)變量。計(jì)算過程：確定時(shí)間步長(zhǎng)、冷卻開始時(shí)間和轉(zhuǎn)變

6、終了溫度。計(jì)算不同時(shí)刻的溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變量。計(jì)算孕育率，計(jì)算等溫轉(zhuǎn)變量。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第10頁(yè)，共40頁(yè)。五、現(xiàn)狀和發(fā)展1. 采用CCT或TTT曲線模擬計(jì)算得到與實(shí)測(cè)值相吻合；2.研究材料晶粒度和應(yīng)力等因素對(duì)組織模擬的影響；3.從解傳熱與傳質(zhì)（擴(kuò)散）方程出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)求冷卻曲線等。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第11頁(yè)，共40頁(yè)。3.2 相平衡計(jì)算方法-相圖計(jì)算人類測(cè)定相圖的歷史已有百余年，經(jīng)測(cè)定并且經(jīng)審定所匯編的二元相圖有四千余個(gè)。有當(dāng)一部分二元相圖未完全測(cè)定。三元系相圖的測(cè)定主要還只是測(cè)定了一些相

7、圖的恒溫截面,有的甚至還是局部成分范圍的恒溫截面。隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，計(jì)算相圖迅速的發(fā)展。采用理想溶液和規(guī)則溶液模型計(jì)算相圖。測(cè)定相圖與計(jì)算相圖 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第12頁(yè)，共40頁(yè)。一、熱力學(xué)模型1. 熱力學(xué)基本概念體系在等溫、等壓處于平衡的條件下應(yīng)遵守以下條件： 體系最小吉布斯函數(shù)原則； 各相的混合吉布斯函數(shù)與組成關(guān)系曲線應(yīng)具有公切線； 相平衡體系中同一組分在各相的化學(xué)位、活度應(yīng)相等。相圖計(jì)算步驟：選取和輸入相互獨(dú)立的實(shí)測(cè)相圖數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法以優(yōu)化熱力學(xué)函數(shù)解析表達(dá)式中得可調(diào)參數(shù)，然后通過使系統(tǒng)總的自由能趨于最小或使組元在各相中得

8、化學(xué)位相等的條件對(duì)聯(lián)立方程組求解相平衡。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第13頁(yè)，共40頁(yè)。3.2 相平衡計(jì)算方法-相圖計(jì)算2. 理想溶液模型簡(jiǎn)介1). 理想溶液的摩爾混合熵為：2). 理想溶液的摩爾混合焓為零，即：3). 理想溶液的摩爾混合吉布斯函數(shù)值為： 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第14頁(yè)，共40頁(yè)。3.2 相平衡計(jì)算方法-相圖計(jì)算3. 規(guī)則溶液模型簡(jiǎn)介1). 規(guī)則溶液的摩爾混合熵為：2). 規(guī)則溶液的摩爾混合焓為：3). 理想溶液的摩爾混合吉布斯函數(shù)值為： 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)

9、算機(jī)模擬 第15頁(yè)，共40頁(yè)。二、計(jì)算平衡相組成和繪制相圖利用式(1)和式(2) 可計(jì)算理想溶液平衡兩相組成1. 理想溶液混合系的組成與Gm的關(guān)系2. A與Gm的關(guān)系 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第16頁(yè)，共40頁(yè)。3.2 相平衡計(jì)算方法-相圖計(jì)算NiO-MgO液相和固相為理想溶液。已知NiO和MgO的熔點(diǎn)分別為1960和2800，熔化熱分別為52.3kJ/mol和77.4kJ/mol。3. NiO-MgO相圖計(jì)算以純液態(tài)NiO作為NiO的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，純固態(tài)MgO作為MgO的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，則吉布斯自由能近似計(jì)算式為： 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝

10、工程的計(jì)算機(jī)模擬 第17頁(yè)，共40頁(yè)。NiO-MgO相圖計(jì)算 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第18頁(yè)，共40頁(yè)。3.2 相平衡計(jì)算方法-相圖計(jì)算NiO-MgO相圖計(jì)算NiO-MgO液相和固相為理想溶液。已知NiO和MgO的熔點(diǎn)分別為1960和2800，熔化熱分別為52.3kJ/mol和77.4kJ/mol。用Turbo C 編程 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第19頁(yè)，共40頁(yè)。3.2 相平衡計(jì)算方法-相圖計(jì)算NiO-MgO相圖計(jì)算NiO-MgO液相和固相為理想溶液。已知NiO和MgO的熔點(diǎn)分別為1960和2800，熔化熱

11、分別為52.3kJ/mol和77.4kJ/mol。用MATLAB 編程 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第20頁(yè)，共40頁(yè)。3.3 相圖計(jì)算發(fā)展歷程和計(jì)算機(jī)軟件介紹相圖計(jì)算-CALPHAD 相圖計(jì)算(CALPHAD：CALculation of Phase Diagram)的興起是在前人收集、總結(jié)熱力學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上以Kaufman L.和Hillert M.為代表發(fā)展形成的一門新的介于熱力學(xué)、相平衡和計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的交叉學(xué)科。1977年，Kaufman L.創(chuàng)辦了以相圖計(jì)算為主的國(guó)際性學(xué)術(shù)雜志：CALPHAD Journal, Computer Couplin

12、g of Phase Diagram & Thermochemistry。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第21頁(yè)，共40頁(yè)。1.相圖計(jì)算過程一、相圖計(jì)算的過程和特點(diǎn)用CALPHAD方法計(jì)算相圖的主要步驟：1）體系的熱力學(xué)、相平衡和晶體結(jié)構(gòu)等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)研和評(píng)價(jià)。2）選擇合適的熱力學(xué)模型及其吉布斯自由能函數(shù)。3）用適當(dāng)?shù)乃惴ê拖鄳?yīng)的程序按照相平衡條件計(jì)算相圖。4）將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第22頁(yè)，共40頁(yè)。CALPHAD方法圖解 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)

13、算機(jī)模擬 第23頁(yè)，共40頁(yè)。2.CALPHAD方法的主要特點(diǎn)1）體系熱力學(xué)性質(zhì)和相圖的熱力學(xué)自洽性；2）外推和預(yù)測(cè)多元系熱力學(xué)性質(zhì)和相圖；3）利用相圖計(jì)算方法可以外推和預(yù)測(cè)相圖的亞穩(wěn)部分，從而建立體系的亞穩(wěn)相圖；4） 提供相變動(dòng)力學(xué)研究所需要的重要信息；5）可獲得以不同熱力學(xué)變量為坐標(biāo)的各種相圖形式，以便用于不同條件下的材料制備過程。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第24頁(yè)，共40頁(yè)。二、 相圖計(jì)算軟件介紹瑞典皇家工學(xué)院材料科學(xué)與工程系為主開發(fā)的Thermo-Calc系統(tǒng)和加拿大蒙特利爾多學(xué)科性工業(yè)大學(xué)計(jì)算熱力學(xué)中心為主開發(fā)的FACT系統(tǒng)。前者包括歐洲共同

14、體熱化學(xué)科學(xué)組(SGTE)共同研制的物質(zhì)和溶液數(shù)據(jù)庫(kù)、熱力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)(Thermo-Calc)和熱力學(xué)評(píng)估系統(tǒng)(Top)；FACT是Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics的簡(jiǎn)稱。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第25頁(yè)，共40頁(yè)。Thermo-Calc系統(tǒng) ()有SGTE純物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、SGTE溶液數(shù)據(jù)庫(kù)、FEBASE鐵基合金數(shù)據(jù)庫(kù)、KAUFMAN合金數(shù)據(jù)庫(kù)、ISHIDA：III-V族化合物數(shù)據(jù)庫(kù)以及SGTE鹽數(shù)據(jù)庫(kù)。主要模塊：POLY-3 用于各種類型二元、三元和多元相圖的平衡計(jì)算；TOP（T

15、hermo-Optimizer）模塊 模型參數(shù)優(yōu)化程序。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第26頁(yè)，共40頁(yè)。FACT計(jì)算系統(tǒng) / FACT系統(tǒng)含有多個(gè)可用于化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算的模塊，主要有：1）化合物模塊中超過5000個(gè)化合物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)；2）溶液模塊中有超過100個(gè)非理想溶液的數(shù)據(jù)庫(kù)；3）化學(xué)反應(yīng)模塊有大量的用于計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的數(shù)據(jù)和多元多相平衡；4）計(jì)算二元化合物相圖，如Ca-SiO2、NaCl-KCl和Cu2S-FeS系相圖，以及二元系相圖優(yōu)化和三元交互系相圖計(jì)算等。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第27頁(yè)，共40頁(yè)。Th

16、ermo-Calc計(jì)算相圖舉例Fe-8%Cr-C三元系垂直截面圖1）運(yùn)行Thermo-Calc系統(tǒng)后，在TCW MATERIAL窗選擇數(shù)據(jù)庫(kù)TER 98，并選擇Cr、Fe和C元素。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第28頁(yè)，共40頁(yè)。Thermo-Calc計(jì)算相圖舉例Fe-8%Cr-C三元系垂直截面圖2）確定溫度和成分等條件。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第29頁(yè)，共40頁(yè)。Thermo-Calc計(jì)算相圖舉例Fe-8%Cr-C三元系垂直截面圖3）定義繪制計(jì)算相圖參數(shù)，如X軸為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc（%），Y軸為溫度，范圍2002

17、500K。4）繪出相圖。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第30頁(yè)，共40頁(yè)。3.4 計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用一、材料的組成和結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)今材料的組成和結(jié)構(gòu)表征研究主要采用各種大型分析設(shè)備，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、分析電鏡（AEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）等。這些大型設(shè)備都是在計(jì)算機(jī)的控制下完成分析工作的。這些分析設(shè)備提供了不同的、功能強(qiáng)大的分析模擬軟件以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第31頁(yè)，共40頁(yè)。二、金屬材料加工與計(jì)算機(jī)模擬金屬材料加工主要包括鑄造、鍛造、壓

18、力加工、熱處理及粉末冶金等，通過數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的方法，可實(shí)現(xiàn)電腦試生產(chǎn)、動(dòng)態(tài)顯示材料加工和制備工藝的歷程、預(yù)測(cè)缺陷和優(yōu)化工藝。模擬方法的優(yōu)點(diǎn)：可預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)；可確定最佳工藝流程，以達(dá)到某一特殊性能要求；動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)物理量的演變歷程和空間分布；提供生產(chǎn)率。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第32頁(yè)，共40頁(yè)。該鑄造過程仿真系統(tǒng)配置：硬件Sun20工作站一臺(tái)，3GB硬盤，384內(nèi)存；軟件Pro/ENGINEER、MAG-MAsoft。工作過程：制訂工藝方案Pro/ENGINEER三維造型CAD模型傳入（MAG-MAsoft）組裝鑄型（MAG-MAsoft）邊界條件設(shè)定計(jì)算機(jī)模擬模具加工（Pro/E）。如采用模擬仿真系統(tǒng)對(duì)大功率柴油機(jī)鑄件的模擬 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用 第六章 材料工藝工程的計(jì)算機(jī)模擬 第33頁(yè)，共40頁(yè)。三、塑料加工中的計(jì)算機(jī)模擬塑料制品一般采用模塑成型方法生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）主要針對(duì)各種塑料成型過程進(jìn)行模擬，該技術(shù)主要包括數(shù)值計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、工程分析與仿真、數(shù)據(jù)庫(kù)等的綜合性軟件系統(tǒng)。四、計(jì)算機(jī)工藝模擬發(fā)展特點(diǎn)1）具有集成性