金属材料制备工艺的计算机模拟

章节摘录

插图：对于充型模拟的难点还在于自由表面的处理，而对于自由表面的处理实际上是对自由表面形状进行描述的问题，最自然的做法是用一个单值的高度函数去刻画它，其他描述自由表面的方法有标记粒子法和水平集方法。在标记粒子法中，对于自由表面的变化，采用随流体流动的示踪粒子显示，即首先将一组假想的示踪粒子置于浇口的位置，当速度场计算出来后，每一个示踪粒子将随着新的速度场移动到新的位置，其移动速度取邻近格子速度量的平均值。当示踪粒子的速度计算出来后，就可以计算出每个示踪粒子的新位置。当所有的示踪粒子的新位置计算出来后，就可以判断网格中示踪粒子的分布情况，进而定出新的内部区和表面区，然后再根据此新的流场形态计算下一个时问增量的速度场，如此重复计算直到流体完全充满型腔为止。另外，在每个新的时间增量内，必须在浇口位置不断地放人新的示踪粒子。这种方法的缺点在于随着示踪粒子数目的增加，其对存贮空间的要求越来越大。水平集方法是一种有效的模拟分界面拓扑改变的数值方法，它是用一个光滑函数称为水平集函数代表两相或两种不同流体的界面，并把该界面定义为零水平集，即函数值为零的点的集合，把追踪分界面的运动转化为求此函数的偏微分方程，再和Euler或Navier—Stokes方程组的耦合求解，研究它的零点集随时间而变的结构演化。

前言

在材料科学与工程中，经常处理“正”、“反”相左等复杂的问题，计算机模拟是继理论实验之外的第三种有效手段与方法，已得到广泛的应用。 1995年，在日本筑波金属材料研究所召开了21世纪材料发展国际研讨会及对日本金属材料研究所进行国际评议会议，该会议邀请了国际知名(Leading Institutes)的五位研究所所长，我作为中国科学院金属研究所所长应邀参加会议之外，还有德国的马普研究所所长佩卓夫、美国国家标准与技术研究所副所长诺克、英国国家物理实验室主席侯赛因和日本金属材料研究所所长尼一。会议讨论中注意到各国在材料领域中运用计算机模拟材料制备工艺及材料设计做了许多工作，发展很快。我回国后在一次科技部召开的规划会上做了一个发言，提出我国应该大力支持开展计算材料学工作，其中包括材料设计和材料制备工艺的计算机模拟两个部分。鉴于我们是从事材料应用研究的，因此向金属研究所及中国科学院提出引进“百人计划”——材料制备工艺计算机模拟的人才，并同年组建了材料制备工艺计算机模拟研究组，李殿中研究员任组长，我作为顾问，与他一起陆续招收20余名研究生从事该项工作。多年来，该模拟组完成了国家“973”、“863”、国家自然科学基金有关项目以及通过国际合作引进国外优秀专家，建立高技术传输平台，并在生产实际中运用计算机模手段指导工艺设计，制备出合格的产品，解决了企业中存在的多项问题；开展了应用基础研究工作，论文发表在Acta Materialia、Metall. Transactions A、MSMSE等杂志上90余篇本书旨在介绍材料制备工艺计算机模拟的基本知识和应用实例，系统地阐述钢与合金的炉外精炼、铸造、凝固、固态相变、轧制、塑性成形等材料制备工艺模拟的基本方法，不仅注重理论建模、计算及工艺模拟，更注重与实践的结合，并将模拟的结果与实践相比较，确定最佳的制备工艺制度。我们希望将已经得到的结果总结整理成书，目的在于使人们对材料制备工艺的计算机模拟知识有一个基本的理解，并能以计算机模拟提升我国的冶金与装备制造业水平，达到省时、节能、提高质量、降低成本和优化环境的目的。 本书由李依依策划并统稿，张玉妥负责编辑。全书共分7章，具体分工为：第一章概论由李依依撰写；第二章液态金属精炼过程的计算机模拟由东北大学材料与冶金学院朱苗勇撰写；第三章铸造工艺的计算机模拟由李殿中、韩维新、胡志勇、杜强、康秀红撰写；第四章凝固过程微观组织模拟由赵九洲、张玉妥撰写；第五章热轧带钢组织性能预报由李殿中、张玉妥、沙孝春、王利明撰写；第六章奥氏体铁素体转变的计算机模拟由佟铭明、兰勇军、黄成江撰写；第七章塑性成形工艺模拟由张士宏、李建国撰写。本书内容主要反映中国科学院金属研究所材料制备工艺计算机模拟组的研究成果。感谢中国工程物理研究院赵鹏骥研究员在本模拟组成立前期给予的帮助。感谢北京大学数学科学学院张平文教授、清华大学物理系倪军教授以及中国科学院金属研究所范存淦研究员、王元明研究员、戎利建研究员和李秀艳博士。本书既可作为研究生、本科生的学习用书，也可供企业、科研与教学单位从事装备制造和材料应用相关专业的科技人员参考。

书籍目录

第一章 概论1 1.1 材料制备工艺的基本概念和实例1 1.1.1 材料制备工艺的基本概念1 1.1.2 钢铁生产工艺流程2  1.1.3 我国钢铁工业的现状7 1.2 材料制备工艺模拟的基本知识8 1.2.1 材料模拟的基本概念8 1.2.2 金属材料制备工艺的计算机模拟14 1.2.3 工艺模拟的判据15 1.3 材料制备工艺模拟常用软件16 1.3.1 铸造工艺模拟软件16 1.3.2 热轧带钢组织性能预报软件18 1.3.3 塑性成形工艺模拟软件20 参考文献22 第二章 液态金属精炼过程的计算机模拟23 2.1 金属熔体传输过程的基本方程与计算方法23 2.1.1 描述金属熔体传输过程的基本方程23 2.1.2 冶金反应器内金属熔体流场的计算方法27 2.2 底吹氩精炼钢包内三维流动的计算机模拟36 2.2.1 控制方程36 2.2.2 吹氩精炼钢包内气液两相区的描述36 2.2.3 三维数学模型的验证38 2.2.4 单喷嘴喷吹钢包内流场模拟40 2.2.5 多喷嘴喷吹钢包内流场模拟41 2.3 浸入式喷枪喷吹金属熔池和AOD炉内三维流动的数值模拟44 2.3.1 水平气体射流在液体中的行为特征44 2.3.2 数学模型45 2.3.3 浸入式喷枪喷吹熔池中的流动特征46 2.3.4 AOD炉内的流动特征47 2.4 液态金属熔池中的混合过程模拟49 2.4.1 混合过程和混合时间的数理研究方法49 2.4.2 精炼金属熔池混合过程的模拟分析50 2.5 LF钢包精炼炉内夹杂物行为的计算机模拟52 2.5.1 LF炉内夹杂物描述的理论模型52 2.5.2 喷嘴布置对夹杂物去除的影响54 2.6 RH真空精炼过程的计算机模拟56 2.6.1 模型描述56 2.6.2 RH真空装置内钢液的流动特征58 2.6.3 RH真空精炼装置内钢液的循环流量59 2.6.4 脱碳行为60 2.6.5 脱碳的影响因素61 参考文献63 第三章 铸造工艺的计算机模拟65 3.1 铸件充型及传热过程模拟65 3.1.1 充型及传热过程的数理方程66 3.1.2 充型及传热过程模拟67 3.1.3 标准实验(benchmark test)的模拟69 3.2 铸件凝固过程中的三场耦合模拟与宏观偏析的定量预测70 3.2.1 铸件凝固过程的三场耦合70 3.2.2 三场耦合模型71 3.2.3 钢锭三场耦合的模拟计算73 3.3 使用水平集方法模拟铸造双金属轧辊75 3.3.1 冲洗法生产铸造双金属轧辊75 3.3.2 数学模型75 3.3.3 数值稳定性分析76 3.3.4 计算结果与分析76 3.4 大型铸钢支承辊整体铸造工艺的计算机模拟80 3.4.1 铸钢支承辊的整体铸造工艺80 3.4.2 铸钢支承辊充型过程的模拟80 3.4.3 铸钢支承辊凝固过程模拟结果与分析81 3.5 电磁离心铸造工艺模拟84 3.5.1 电磁场、熔体流场和温度场的耦合85 3.5.2 熔体流场与压力场模拟结果与分析86 3.5.3 温度场的模拟结果与分析88 3.5.4 电磁搅拌对离心铸造0Cr17Mn14Mo2N不锈钢管坯显微组织的影响89 参考文献91 第四章 凝固过程微观组织模拟93 4.1 凝固过程微观组织模拟方法93 4.1.1 确定性方法93 4.1.2 概率方法95 4.1.3 相场方法98 4.2 凝固过程数学模型101 4.2.1 形核模型101 4.2.2 晶体生长模型104 4.3 铸锭凝固过程中柱状晶与等轴晶的转变108 4.3.1 元胞自动机与有限差分耦合108 4.3.2 模拟的基本步骤110 4.3.3 铸锭凝固过程中柱状晶与等轴晶的转变110 4.4 喷射成形中金属液滴凝固过程模拟113 4.4.1 喷射成形中金属液滴凝固113 4.4.2 模型的描述114 4.4.3 液滴凝固过程模拟116 参考文献120 第五章 热轧带钢组织性能预报122 5.1 热轧带钢组织性能预报的基本模块122 5.2 板坯加热的奥氏体化过程及晶粒长大123 5.2.1 板坯加热的奥氏体化过程123 5.2.2 晶粒长大动力学参数的确定125 5.3 轧制过程中的再结晶模拟127 5.3.1 热轧温度模型127 5.3.2 热形变过程中的再结晶129 5.3.3 再结晶模型132 5.3.4 热轧带钢再结晶的模拟134 5.4 热轧带钢冷却过程的相变计算135 5.4.1 热轧低碳钢冷却相变计算136 5.4.2 卷取温度控制模型140 5.4.3 计算结果与分析142 5.5 铁素体晶粒尺寸预测145 5.5.1 钢卷冷却过程的温度场模拟145 5.5.2 铁素体晶粒尺寸模型147 5.5.3 计算结果与分析148 5.6 热轧带钢组织性能预报150 5.6.1 物理冶金模型预报带钢性能150 5.6.2 Rollan软件的应用154 参考文献156 第六章 奥氏体铁素体转变的计算机模拟158 6.1 等温奥氏体铁素体相变的元胞自动机介观模拟158 6.1.1 等温奥氏体铁素体相变二维元胞自动机模型 158 6.1.2 等温奥氏体铁素体相变元胞自动机模拟163 6.2 等温相变过程中单个铁素体晶粒长大行为的模拟170 6.2.1 等温相变过程中单个铁素体晶粒的长大模拟17 6.2.2 单个铁素体晶粒的六种长大模式模拟171 6.3 连续冷却奥氏体铁素体相变元胞自动机模拟175 6.3.1 连续冷却奥氏体铁素体相变元胞自动机模型 175 6.3.2 连续冷却奥氏体铁素体相变模拟177 6.4 形变奥氏体－铁素体相变晶体塑性有限元元胞自动机耦合模拟183 6.4.1 晶体塑性形变模型183 6.4.2 形变奥氏体铁素体相变模型186 6.4.3 晶体塑性有限元模型与元胞自动机模型的耦合 188 6.4.4 形变奥氏体铁素体相变的晶体塑性有限元－元胞自动机耦合模拟结果190 6.5 FeC二元系未形变奥氏体等温分解的蒙特卡罗法模拟196 6.5.1 蒙特卡罗模型197 6.5.2 单个晶粒中碳扩散过程的模拟200 6.5.3 双晶粒体系中的等温奥氏体铁素体相变模拟 203 6.5.4 未形变奥氏体等温分解过程中非平衡奥氏体－铁素体相界面状态的分析206  6.5.5 未形变多晶奥氏体等温分解过程中奥氏体－铁素体相变模拟212 6.6 FeC二元系等温热形变过程中形变诱导铁素体相变的蒙特卡罗法模拟215 6.6.1 形变诱导铁素体相变215 6.6.2 多态波茨模型217 6.6.3 模拟结果与分析221 6.7 深过冷轧制热力耦合有限元分析235 6.7.1 钢板热轧过程界面换热系数的测定236 6.7.2 热轧板表层超细晶形成过程分析238 参考文献242 第七章 塑性成形工艺模拟246 7.1 体成形工艺模拟246 7.1.1 体积成形工艺模拟246 7.1.2 体积成形过程中的热力耦合模型246 7.1.3 近β型钛合金的塑性成形过程模拟247 7.1.4 NiTi形状记忆合金管件热挤压过程数值模拟249 7.2 板材冲压成形过程的计算机模拟252 7.2.1 油底壳成形过程的三维有限元模拟252 7.2.2 镁合金板材筒形件拉深成形261 7.2.3 板件液压成形264 7.3 板成形回弹过程的计算机模拟270 7.3.1 板成形回弹的计算方法及影响因素270 7.3.2 汽车纵梁成形及回弹过程的模拟272 参考文献280 关键术语281

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《金属材料制备工艺的计算机模拟》由科学出版社出版。

作者简介

《金属材料制备工艺的计算机模拟》主要介绍金属材料制备工艺的计算机模拟。全书共七章，主要内容包括概论、液态金属精炼过程的计算机模拟、铸造工艺的计算机模拟、凝固过程微观组织模拟、热轧带钢组织性能预报、奥氏体铁素体转变的计算机模拟和塑性成形工艺模拟。 

《金属材料制备工艺的计算机模拟》可供冶金、机械、材料、工艺模拟等相关专业的科技人员、工程技术人员及本科生、研究生阅读与参考。

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