国内外铸件微观组织数值模拟研究概况

铸件微观组织模拟是利用计算机模拟铸件微观组织的形成过程,以预测铸件的组织结构和性能本文对铸件微观组织数值模拟技术的发展过程、应用现状进行了评述简要介绍了铸件微观组织数值模拟的基本思路以及模拟过程中的宏／微观统一数学模型,如热传导模型、溶质传输模型、形核模型、晶粒生长模型分析了两种随机方法即Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ法和Ｃｅｌｕｌａｒ－Ａｕｔｏｍａｔｏ法的优缺点评价了模拟中使用的新技术在此基础上,提出了当前铸件微观组织模拟研究的发展方向     

易切削钢9SMn28凝固过程的CAFE法模拟

为了耦合缩孔和疏松模拟凝固过程三维微观组织,对元胞自动机--有限元(CAFE)法的物理本质和数值计算方法进行了分析,采用CAFE法对易切削钢9SMn28铸件进行了凝固过程、缩孔和疏松及三维微观组织的模拟.模拟结果表明:在空冷条件下,铸件表层的凝固是在连续降温过程中进行的,内部是先等温凝固,后降温凝固;缩孔和疏松模拟结果与实际铸件的基本相符;实现了9SMn28合金三维微观组织的模拟,模拟结果与实验吻合较好.     

相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展

定向凝固是一种新型的铸造成型技术,能够很好地呈现出凝固过程中界面形态的演化过程,而相场法在如今微观组织数值模拟领域中是最具有优势的一种研究方法.介绍了相场法数值模拟的基本原理,阐述了国内外学者对二元或多元合金在受流场、溶质间相互作用和各向异性、过冷等因素条件影响下自由枝晶和小晶面枝晶的相场法模拟的研究进展,说明了采用相场法耦合溶质场和计算相图等方法在其他微观组织中的应用,并且指出了相场法在模拟定向凝固微观组织领域中所存在的不足之处以及未来的发展趋势.     

球墨铸铁微观组织形成的数值模拟

基于结晶动力学理论，建立了球墨铸铁凝固过程各阶段微观组织形成形核和长大的数学模型；根据该结果动力学模型，编制了球铁微观组织形成模拟软件ＦＴＳｔｒｕｃｔｕｒｅ。该软件可以预测球铁凝固过程中各相的形成以及固态转变中铁素体和珠光体的形成，并进而预测铸态力学性能。模拟了阶梯形试块的冷却曲线、微观组织和布氏硬度。模拟与实测结果符合较好。     

IN718合金多步锻造过程中微观组织演变数值模拟

为研究多步锻造过程中工艺参数对大锻件微观组织演变的影响,将再结晶模型和晶粒长大模型加入到模拟软件中,实现了金属高温塑性变形-传热-微观组织演变的耦合.采用数值模拟的方法,研究始锻温度、压下量和空冷时间对多步锻造过程中IN718合金微观组织演变的影响.结果表明,在多步锻造过程中,始锻温度和变形量对微观组织演变影响显著,空冷温度决定了晶粒尺寸大小,而空冷时间对晶粒尺寸影响较小,长时间空冷不会造成晶粒明显粗化.     

铝合金微观组织模拟及并行计算

微观组织模拟计算规模庞大,对宏观铸件进行整体微观组织模拟存在极大困难,为此该文将CA(cellularau-tomaton)模型与宏观的传热计算相结合,模拟砂型和金属型铝合金铸件的凝固组织形成过程,提出了改进的CA模型,用更接近实际晶粒轮廓的方法对微观组织进行模拟。在串行算法的基础上开发了相应的并行算法,该算法在保证原有计算精度的前提下,极大地提高了计算规模和效率。对试验结果和模拟结果进行了对照分析,二者基本一致。     

材料微观组织CA法模拟的研究现状

建立微观组织演变模型,模拟晶粒形核生长过程及组织分布和偏析情况在近年来已经成为国内外科研工作者的研究热点。在微观组织的模拟方法中,常用的有蒙特卡罗(MC)法和元胞自动机(CA)法。CA法由于其模型结构简单,在空间和时间尺度上都不受限制,适合于大型机的并行计算,而受到更多研究者的青睐。研究表明CA法在金属凝固,静态再结晶及轧制变形所引起的动态再结晶等过程的模拟中,表现出了其特有的优越性。概述了元胞自动机(CA)方法在微观组织模拟中的建模方法及应用,并综述了目前此方面研究工作的进展现状。     

金属增材制造数值模拟

金属增材制造过程是一个多尺度多物理场耦合问题,包括复杂的传热传质、相变和材料微观组织演化等物理现象.因此,本文从传热传质和材料微观组织演化两个方面,详细论述了金属增材制造的数值模拟研究现状.以所关注的物理现象和求解问题的尺度不同为主线归纳了已有的热源模型、传热传质数值计算模型(包括粉末尺度的高保真热流耦合模型、基于连续体假设的热流耦合模型、基于连续体假设的热传导模型)和微观组织演化预测模型(包括相场模型、元胞自动机法、动力学蒙特卡洛法),并分析了各个模型的优势和适用范围,进一步论述了"过程-组织-性能"集成耦合模拟模型.在此基础上,总结了金属增材制造数值模拟面临的挑战和发展趋势.     

铸件凝固过程微观数值模拟方法进展

分析了铸件凝固过程微观数值模拟的两种方法 :即晶粒动力学方法和相场法 ,分别介绍了其原理及其应用 ,并指出了各自的优缺点。在文章的最后 ,总结了微观模拟研究的现状及其发展方向。     

H型钢热轧过程微观组织的数值预报

将热力耦合有限元方法与金属微观组织演变数学模型相结合,提出了热变形过程微观组织的数值预报方法。作为应用,模拟了Ｈ型钢热轧过程的微观组织演变。预报值与实测值吻合良好,表明本文方法己能成功预报热变形后的金属微观组织。     

微观结点数目对显微偏析数值模拟的影响

凝固过程微观数值模拟是目前材料学科研究的一个热点，其中显微偏析数值模拟具有重要的指导意义，国内在此研究方向上尚处于起步阶段。研究了显微偏析数值模拟中微观结点数目对计算结果的影响，并与试验结果进行了对照，指出基于迭代方法的显微偏析模拟结果与微观时间步数之间的关系为弱影响，不需大量的微观结点数目即可获得比较精确的模拟结果。     

二元合金凝固微观模型的研究现状

基于对二元合金凝固过程宏观传输耦合数学模型中非平衡凝固路径和局部液相溶质浓度的确定,详细讨论了两种不同类型的微观凝固数学模型,即凝固动力学模型和凝固微观偏析模型,对其中的确定性凝固动力学模型和微观偏析半解析模型的研究现状分别进行了回顾,分别讨论了凝固动力学模型和微观偏析模型的主要影响因素,即过冷度和形核率以及固相反向扩散和枝晶结构粗化,对凝固微观模型在合金凝固过程耦合数值模拟中的应用价值及其未来的研究方向进行了阐述.     

间接挤压铸造Al-Cu-Mn支架的工艺及性能

为满足大型支架“以铝代铁”的轻量化要求,设计了铝合金支架间接挤压铸造系统,完成了相应的数值模拟及工艺设计,并制作了相应的模具.采用Al-Cu-Mn合金材料,对支架进行了间接挤压铸造试制,分析了试制铸件缺陷形成的原因,并对T5热处理后的支架进行了力学性能和微观组织分析.结果表明:采取缩短循环时间、减少脱模剂水分等工艺改进措施,可以消除间接挤压铸造件的气孔和夹渣缺陷,获得质量良好的铸件;支架铸件各部位的平均抗拉强度和伸长率分别达388 MPa和8.7%,且力学性能分布较均匀;铸件微观组织致密,晶粒细化,晶粒尺寸小于0.08 mm,说明了所设计的间接挤压铸造系统和所选用的工艺参数的合理性.     

用改进的 SOLA-VOF 法模拟铸造充型过程

铸造充型过程对铸件质量的影响很大，文中对流体充型过程的数值模拟做了研究。以ＳＯＬＡ－ＶＯＦ法为基础提出了改进算法。在三维自由表面处理上，提出一种简单而实用的方法，对原算法的累积流量误差做了修正，方程求解改用预处理共轭梯度法，保证了解的收敛性。为了模拟紊流现象，引入了Ｋ－ε双方程模型，用实验验证这些改进的效果，又用国际会议的标准检验实验进行了验证，着重于紊流现象的分析，模拟结果与验证实验吻合较好。     

合金凝固过程枝晶生长的界面前沿跟踪法模拟

为预测铝合金铸件凝固时的微观组织演化,本文采用当量法对KGT模型进行扩展,建立了适应多元合金的界面前沿跟踪模型?应用该模型对Al-6Si-4Cu合金凝固过程的微观组织的演化过程进行了模拟?实验结果表明,所建立的模型能够再现凝固过程中自由枝晶生长形态?液相中的溶质分布以及多晶生长时枝晶的竞争生长过程?该模型可以实时地跟踪凝固界面前沿的位置,节省计算时间,提高效率?     

铸造速度对Al-Cu合金半固态组织影响的多尺度模拟

用多尺度模拟方法研究了半连续铸造过程与Zl201合金成分近似的5%Al-Cu合金凝固组织受铸造速度的影响。建立了温度场模型和相变模型。通过固相率的变化把温度场计算和微观组织模拟从宏观尺度和介观尺度耦合起来。将宏观尺度上计算出的稳态温度场映射到介观尺度上。利用液固相变区中原胞的平均过冷度确定半连续铸造过程中各元胞的形核,采用溶质扩散模型描述晶粒长大。针对选定对象模拟了浇铸温度为930 K,铸造速度在(1.5～3.5)mm/s时微观组织的演变。结果表明,当铸造速度在2.0 mm/s时得到的微观组织均匀、细小,模拟结果与实验结果吻合。     

铸件/铸型边界模型对用于RT的凝固模拟精度影响的研究

在快速模具制造工艺 RT (Rapid Tooling)中 ,采用尺寸凝固模拟技术保证铸件的尺寸精度是 RT工艺中关键的技术环节 ,而凝固分析中铸件 /铸型边界模型的正确与否对尺寸凝固模拟精度有着重要的作用。采用 3种不同的铸件/铸型边界模型对 RT工艺中典型标准件的凝固过程进行数值分析及实验验证 ,分析结果及实验证明在 RT工艺铸件尺寸精度的凝固分析中 ,铸型 /铸件的边界模型采用铸件、铸型均为热变形弹塑性体 ,且采用接触力学中的接触单元法对铸型 /铸件的边界进行分析更符合实际。采用这种铸件 /铸型边界模型对汽车覆盖件模具的凝固过程进行了热力耦合分析 ,数值计算得到的铸件尺寸与实际铸件的尺寸吻合较好 ,证实所采用的铸型 /铸件边界模型是正确的、可行的     

基于三维微-细观尺度模型的混凝土力学性能研究

依据水泥种类、水灰比、配合比和骨料级配等信息，在微观尺度上引入CEMHYD3D水化模型重构了水泥浆模型、在细观尺度上发展硬核/软壳模型构建了混凝土模型；研究基于Rankine准则和损伤模型的适用于混凝土微-细观模型的数值均匀化方法，从而提出混凝土力学性能递进分析和预测方法。算例分析表明，提出的方法能够较好地分析和预测混凝土的宏观力学性能；通过老化病害过程微观尺度的模拟，可实现混凝土老化病害机理分析。     

PFC~(2D)数值计算模型微观参数确定方法

针对目前应用"试错法"来确定PFC2D数值计算模型微观参数所存在的盲目性问题,提出一种基于物理试验响应的参数确定方法.通过模拟具体对象的基本特性计算模型物理几何参数,借助物理试验响应反演计算颗粒间的接触本构参数.以焦家金矿-450中段下盘糜棱岩为例,在单轴抗压物理试验的基础上,确定相应的数值计算模型微观参数并进行单轴、双轴模拟试验,模拟结果与物理试验具有良好的一致性,验证了微观参数确定方法的可靠性和适用性.PFC2D微观参数确定方法能够在保证精确模拟的基础上,大大降低前期建模工作量,为类似研究提供借鉴.     

喷射沉积Al-20Si-5Fe-3Cu-Mg

利用喷射沉积技术制备了Ａｌ－２０Ｓｉ－５Ｆｅ－３Ｃｕ－１Ｍｇ合金,借助扫描电镜（ＳＥＭ）,Ｘ－射线衍射和拉伸试验等手段研究了喷射沉积合金的微观组织和力学性能,分析了Ｆｅ对合金挤压和热处理后的组织变化,拉伸试验结果表明,喷射沉积Ａｌ－２０Ｓｉ－５Ｆｅ－３Ｃｕ－１Ｍｇ合金具有比粉末冶金Ａｌ－２０Ｓｉ－３Ｃｕ－１Ｍｇ合金更高的高温（３００℃）强度。