金屬材料制備工藝的計算機模擬

前言

在材料科學(xué)與工程中，經(jīng)常處理“正”、“反”相左等復(fù)雜的問題，計算機模擬是繼理論實驗之外的第三種有效手段與方法，已得到廣泛的應(yīng)用。 1995年，在日本筑波金屬材料研究所召開了21世紀材料發(fā)展國際研討會及對日本金屬材料研究所進行國際評議會議，該會議邀請了國際知名(Leading Institutes)的五位研究所所長，我作為中國科學(xué)院金屬研究所所長應(yīng)邀參加會議之外，還有德國的馬普研究所所長佩卓夫、美國國家標準與技術(shù)研究所副所長諾克、英國國家物理實驗室主席侯賽因和日本金屬材料研究所所長尼一。會議討論中注意到各國在材料領(lǐng)域中運用計算機模擬材料制備工藝及材料設(shè)計做了許多工作，發(fā)展很快。我回國后在一次科技部召開的規(guī)劃會上做了一個發(fā)言，提出我國應(yīng)該大力支持開展計算材料學(xué)工作，其中包括材料設(shè)計和材料制備工藝的計算機模擬兩個部分。鑒于我們是從事材料應(yīng)用研究的，因此向金屬研究所及中國科學(xué)院提出引進“百人計劃”——材料制備工藝計算機模擬的人才，并同年組建了材料制備工藝計算機模擬研究組，李殿中研究員任組長，我作為顧問，與他一起陸續(xù)招收20余名研究生從事該項工作。多年來，該模擬組完成了國家“973”、“863”、國家自然科學(xué)基金有關(guān)項目以及通過國際合作引進國外優(yōu)秀專家，建立高技術(shù)傳輸平臺，并在生產(chǎn)實際中運用計算機模手段指導(dǎo)工藝設(shè)計，制備出合格的產(chǎn)品，解決了企業(yè)中存在的多項問題；開展了應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，論文發(fā)表在Acta Materialia、Metall. Transactions A、MSMSE等雜志上90余篇本書旨在介紹材料制備工藝計算機模擬的基本知識和應(yīng)用實例，系統(tǒng)地闡述鋼與合金的爐外精煉、鑄造、凝固、固態(tài)相變、軋制、塑性成形等材料制備工藝模擬的基本方法，不僅注重理論建模、計算及工藝模擬，更注重與實踐的結(jié)合，并將模擬的結(jié)果與實踐相比較，確定最佳的制備工藝制度。我們希望將已經(jīng)得到的結(jié)果總結(jié)整理成書，目的在于使人們對材料制備工藝的計算機模擬知識有一個基本的理解，并能以計算機模擬提升我國的冶金與裝備制造業(yè)水平，達到省時、節(jié)能、提高質(zhì)量、降低成本和優(yōu)化環(huán)境的目的。 本書由李依依策劃并統(tǒng)稿，張玉妥負責編輯。全書共分7章，具體分工為：第一章概論由李依依撰寫；第二章液態(tài)金屬精煉過程的計算機模擬由東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院朱苗勇撰寫；第三章鑄造工藝的計算機模擬由李殿中、韓維新、胡志勇、杜強、康秀紅撰寫；第四章凝固過程微觀組織模擬由趙九洲、張玉妥撰寫；第五章熱軋帶鋼組織性能預(yù)報由李殿中、張玉妥、沙孝春、王利明撰寫；第六章奧氏體鐵素體轉(zhuǎn)變的計算機模擬由佟銘明、蘭勇軍、黃成江撰寫；第七章塑性成形工藝模擬由張士宏、李建國撰寫。本書內(nèi)容主要反映中國科學(xué)院金屬研究所材料制備工藝計算機模擬組的研究成果。感謝中國工程物理研究院趙鵬驥研究員在本模擬組成立前期給予的幫助。感謝北京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院張平文教授、清華大學(xué)物理系倪軍教授以及中國科學(xué)院金屬研究所范存淦研究員、王元明研究員、戎利建研究員和李秀艷博士。本書既可作為研究生、本科生的學(xué)習(xí)用書，也可供企業(yè)、科研與教學(xué)單位從事裝備制造和材料應(yīng)用相關(guān)專業(yè)的科技人員參考。

內(nèi)容概要

《金屬材料制備工藝的計算機模擬》主要介紹金屬材料制備工藝的計算機模擬。全書共七章，主要內(nèi)容包括概論、液態(tài)金屬精煉過程的計算機模擬、鑄造工藝的計算機模擬、凝固過程微觀組織模擬、熱軋帶鋼組織性能預(yù)報、奧氏體鐵素體轉(zhuǎn)變的計算機模擬和塑性成形工藝模擬。 
《金屬材料制備工藝的計算機模擬》可供冶金、機械、材料、工藝模擬等相關(guān)專業(yè)的科技人員、工程技術(shù)人員及本科生、研究生閱讀與參考。

書籍目錄

第一章 概論1 1.1 材料制備工藝的基本概念和實例1 1.1.1 材料制備工藝的基本概念1 1.1.2 鋼鐵生產(chǎn)工藝流程2  1.1.3 我國鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)狀7 1.2 材料制備工藝模擬的基本知識8 1.2.1 材料模擬的基本概念8 1.2.2 金屬材料制備工藝的計算機模擬14 1.2.3 工藝模擬的判據(jù)15 1.3 材料制備工藝模擬常用軟件16 1.3.1 鑄造工藝模擬軟件16 1.3.2 熱軋帶鋼組織性能預(yù)報軟件18 1.3.3 塑性成形工藝模擬軟件20 參考文獻22 第二章 液態(tài)金屬精煉過程的計算機模擬23 2.1 金屬熔體傳輸過程的基本方程與計算方法23 2.1.1 描述金屬熔體傳輸過程的基本方程23 2.1.2 冶金反應(yīng)器內(nèi)金屬熔體流場的計算方法27 2.2 底吹氬精煉鋼包內(nèi)三維流動的計算機模擬36 2.2.1 控制方程36 2.2.2 吹氬精煉鋼包內(nèi)氣液兩相區(qū)的描述36 2.2.3 三維數(shù)學(xué)模型的驗證38 2.2.4 單噴嘴噴吹鋼包內(nèi)流場模擬40 2.2.5 多噴嘴噴吹鋼包內(nèi)流場模擬41 2.3 浸入式噴槍噴吹金屬熔池和AOD爐內(nèi)三維流動的數(shù)值模擬44 2.3.1 水平氣體射流在液體中的行為特征44 2.3.2 數(shù)學(xué)模型45 2.3.3 浸入式噴槍噴吹熔池中的流動特征46 2.3.4 AOD爐內(nèi)的流動特征47 2.4 液態(tài)金屬熔池中的混合過程模擬49 2.4.1 混合過程和混合時間的數(shù)理研究方法49 2.4.2 精煉金屬熔池混合過程的模擬分析50 2.5 LF鋼包精煉爐內(nèi)夾雜物行為的計算機模擬52 2.5.1 LF爐內(nèi)夾雜物描述的理論模型52 2.5.2 噴嘴布置對夾雜物去除的影響54 2.6 RH真空精煉過程的計算機模擬56 2.6.1 模型描述56 2.6.2 RH真空裝置內(nèi)鋼液的流動特征58 2.6.3 RH真空精煉裝置內(nèi)鋼液的循環(huán)流量59 2.6.4 脫碳行為60 2.6.5 脫碳的影響因素61 參考文獻63 第三章 鑄造工藝的計算機模擬65 3.1 鑄件充型及傳熱過程模擬65 3.1.1 充型及傳熱過程的數(shù)理方程66 3.1.2 充型及傳熱過程模擬67 3.1.3 標準實驗(benchmark test)的模擬69 3.2 鑄件凝固過程中的三場耦合模擬與宏觀偏析的定量預(yù)測70 3.2.1 鑄件凝固過程的三場耦合70 3.2.2 三場耦合模型71 3.2.3 鋼錠三場耦合的模擬計算73 3.3 使用水平集方法模擬鑄造雙金屬軋輥75 3.3.1 沖洗法生產(chǎn)鑄造雙金屬軋輥75 3.3.2 數(shù)學(xué)模型75 3.3.3 數(shù)值穩(wěn)定性分析76 3.3.4 計算結(jié)果與分析76 3.4 大型鑄鋼支承輥整體鑄造工藝的計算機模擬80 3.4.1 鑄鋼支承輥的整體鑄造工藝80 3.4.2 鑄鋼支承輥充型過程的模擬80 3.4.3 鑄鋼支承輥凝固過程模擬結(jié)果與分析81 3.5 電磁離心鑄造工藝模擬84 3.5.1 電磁場、熔體流場和溫度場的耦合85 3.5.2 熔體流場與壓力場模擬結(jié)果與分析86 3.5.3 溫度場的模擬結(jié)果與分析88 3.5.4 電磁攪拌對離心鑄造0Cr17Mn14Mo2N不銹鋼管坯顯微組織的影響89 參考文獻91 第四章 凝固過程微觀組織模擬93 4.1 凝固過程微觀組織模擬方法93 4.1.1 確定性方法93 4.1.2 概率方法95 4.1.3 相場方法98 4.2 凝固過程數(shù)學(xué)模型101 4.2.1 形核模型101 4.2.2 晶體生長模型104 4.3 鑄錠凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉(zhuǎn)變108 4.3.1 元胞自動機與有限差分耦合108 4.3.2 模擬的基本步驟110 4.3.3 鑄錠凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉(zhuǎn)變110 4.4 噴射成形中金屬液滴凝固過程模擬113 4.4.1 噴射成形中金屬液滴凝固113 4.4.2 模型的描述114 4.4.3 液滴凝固過程模擬116 參考文獻120 第五章 熱軋帶鋼組織性能預(yù)報122 5.1 熱軋帶鋼組織性能預(yù)報的基本模塊122 5.2 板坯加熱的奧氏體化過程及晶粒長大123 5.2.1 板坯加熱的奧氏體化過程123 5.2.2 晶粒長大動力學(xué)參數(shù)的確定125 5.3 軋制過程中的再結(jié)晶模擬127 5.3.1 熱軋溫度模型127 5.3.2 熱形變過程中的再結(jié)晶129 5.3.3 再結(jié)晶模型132 5.3.4 熱軋帶鋼再結(jié)晶的模擬134 5.4 熱軋帶鋼冷卻過程的相變計算135 5.4.1 熱軋低碳鋼冷卻相變計算136 5.4.2 卷取溫度控制模型140 5.4.3 計算結(jié)果與分析142 5.5 鐵素體晶粒尺寸預(yù)測145 5.5.1 鋼卷冷卻過程的溫度場模擬145 5.5.2 鐵素體晶粒尺寸模型147 5.5.3 計算結(jié)果與分析148 5.6 熱軋帶鋼組織性能預(yù)報150 5.6.1 物理冶金模型預(yù)報帶鋼性能150 5.6.2 Rollan軟件的應(yīng)用154 參考文獻156 第六章 奧氏體鐵素體轉(zhuǎn)變的計算機模擬158 6.1 等溫奧氏體鐵素體相變的元胞自動機介觀模擬158 6.1.1 等溫奧氏體鐵素體相變二維元胞自動機模型 158 6.1.2 等溫奧氏體鐵素體相變元胞自動機模擬163 6.2 等溫相變過程中單個鐵素體晶粒長大行為的模擬170 6.2.1 等溫相變過程中單個鐵素體晶粒的長大模擬17 6.2.2 單個鐵素體晶粒的六種長大模式模擬171 6.3 連續(xù)冷卻奧氏體鐵素體相變元胞自動機模擬175 6.3.1 連續(xù)冷卻奧氏體鐵素體相變元胞自動機模型 175 6.3.2 連續(xù)冷卻奧氏體鐵素體相變模擬177 6.4 形變奧氏體－鐵素體相變晶體塑性有限元元胞自動機耦合模擬183 6.4.1 晶體塑性形變模型183 6.4.2 形變奧氏體鐵素體相變模型186 6.4.3 晶體塑性有限元模型與元胞自動機模型的耦合 188 6.4.4 形變奧氏體鐵素體相變的晶體塑性有限元－元胞自動機耦合模擬結(jié)果190 6.5 FeC二元系未形變奧氏體等溫分解的蒙特卡羅法模擬196 6.5.1 蒙特卡羅模型197 6.5.2 單個晶粒中碳擴散過程的模擬200 6.5.3 雙晶粒體系中的等溫奧氏體鐵素體相變模擬 203 6.5.4 未形變奧氏體等溫分解過程中非平衡奧氏體－鐵素體相界面狀態(tài)的分析206  6.5.5 未形變多晶奧氏體等溫分解過程中奧氏體－鐵素體相變模擬212 6.6 FeC二元系等溫熱形變過程中形變誘導(dǎo)鐵素體相變的蒙特卡羅法模擬215 6.6.1 形變誘導(dǎo)鐵素體相變215 6.6.2 多態(tài)波茨模型217 6.6.3 模擬結(jié)果與分析221 6.7 深過冷軋制熱力耦合有限元分析235 6.7.1 鋼板熱軋過程界面換熱系數(shù)的測定236 6.7.2 熱軋板表層超細晶形成過程分析238 參考文獻242 第七章 塑性成形工藝模擬246 7.1 體成形工藝模擬246 7.1.1 體積成形工藝模擬246 7.1.2 體積成形過程中的熱力耦合模型246 7.1.3 近β型鈦合金的塑性成形過程模擬247 7.1.4 NiTi形狀記憶合金管件熱擠壓過程數(shù)值模擬249 7.2 板材沖壓成形過程的計算機模擬252 7.2.1 油底殼成形過程的三維有限元模擬252 7.2.2 鎂合金板材筒形件拉深成形261 7.2.3 板件液壓成形264 7.3 板成形回彈過程的計算機模擬270 7.3.1 板成形回彈的計算方法及影響因素270 7.3.2 汽車縱梁成形及回彈過程的模擬272 參考文獻280 關(guān)鍵術(shù)語281

章節(jié)摘錄

插圖：對于充型模擬的難點還在于自由表面的處理，而對于自由表面的處理實際上是對自由表面形狀進行描述的問題，最自然的做法是用一個單值的高度函數(shù)去刻畫它，其他描述自由表面的方法有標記粒子法和水平集方法。在標記粒子法中，對于自由表面的變化，采用隨流體流動的示蹤粒子顯示，即首先將一組假想的示蹤粒子置于澆口的位置，當速度場計算出來后，每一個示蹤粒子將隨著新的速度場移動到新的位置，其移動速度取鄰近格子速度量的平均值。當示蹤粒子的速度計算出來后，就可以計算出每個示蹤粒子的新位置。當所有的示蹤粒子的新位置計算出來后，就可以判斷網(wǎng)格中示蹤粒子的分布情況，進而定出新的內(nèi)部區(qū)和表面區(qū)，然后再根據(jù)此新的流場形態(tài)計算下一個時問增量的速度場，如此重復(fù)計算直到流體完全充滿型腔為止。另外，在每個新的時間增量內(nèi)，必須在澆口位置不斷地放人新的示蹤粒子。這種方法的缺點在于隨著示蹤粒子數(shù)目的增加，其對存貯空間的要求越來越大。水平集方法是一種有效的模擬分界面拓撲改變的數(shù)值方法，它是用一個光滑函數(shù)稱為水平集函數(shù)代表兩相或兩種不同流體的界面，并把該界面定義為零水平集，即函數(shù)值為零的點的集合，把追蹤分界面的運動轉(zhuǎn)化為求此函數(shù)的偏微分方程，再和Euler或Navier—Stokes方程組的耦合求解，研究它的零點集隨時間而變的結(jié)構(gòu)演化。

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《金屬材料制備工藝的計算機模擬》由科學(xué)出版社出版。

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