金属加工模块简介

2019年 12月 9日

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本新增的金属加工模块用于研究热处理过程(例如,淬火和渗碳)。金属加工模块具有模拟钢和铸铁等材料中的相变和相关现象的特征和功能。它可以与结构力学和传热模块结合使用,计算热处理过程中组件的残余应力和变形。本篇博客文章,我们将介绍有关金属加工模块的基本功能。

什么是相变

当钢铁合金被加热到一定温度以上时,会转变为 γ 相铁,也称为奥氏体。在碳钢中,这种冶金相存在于约 730°C 以上且仍处于固态。冷却时,奥氏体分解成具有不同晶体结构的相,并具有不同的机械性能;混合物的确切相或相组成 取决于冷却速率和合金的化学组成。如果冷却速率足够高,就会形成非常坚硬的马氏体,而在较低的冷却速率下,可能会形成较软的相,如铁素体和珠光体。

在钢零件的制造过程中,通过加热和冷却的方式来控制获得想要的力学性能。例如,在汽车工业中,对轴、齿轮、曲轴和凸轮轴之类的组件进行热处理,以获得坚硬、耐磨的表面,同时保持内部的韧性。热处理的一种更古老的应用是铸剑。例如,日本武士刀的铸造就是一个对淬火过程要求很高的例子。该过程可以生产出锋利、坚硬,并具有弹性刀背的剑。在淬火过程中,除边缘以外的所有部分均隔热以限制内部的冷却速率,从而生产出坚硬的马氏体边缘和柔软的珠光体内部,这一过程称为差异化淬火。

17 世纪的日本武士刀
17 世纪的日本武士刀,具有弯曲形状和单边刀锋(伯尔尼历史博物馆)。图片由 Rama 提供,获CC BY-SA 2.0 FR授权, 通过Wikimedia Commons公布。

金属加工模块的功能和特征

金属加工模块包含两个新的物理场接口,即金属相变奥氏体分解 接口,可用于分析冶金相变。这两个接口都可以模拟扩散相变和位移相变。

金属加工模块与传热模块结合使用,具有模拟复杂传热的功能,能够计算有效的热材料性能以及相变潜热和热辐射效应。同样,通过将其与结构力学模块及其附加模块结合使用,可以计算残余应力、相变应变和变形。 金属加工模块接口还可以计算等效力学性能和诸如相变诱导塑性(TRIP)之类的现象,以及热应变。

金属相变接口

金属相变 接口被用于研究发生在如钢材料的加热或冷却过程中的冶金相变。该接口具有两个功能:金相相变

金相功能用于定义:

  • 初始相分数
  • 相的材料属性

相变 功能用于定义:

  • 源相
  • 目标相
  • 输入数据和设置,这些数据和设置定义了如何消耗源相而形成目标相

相变 功能提供了三种类型的相变模型:

  1. Leblond–Devaux 模型
  2. Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)模型
  3. Koistinen–Marburger 模型

前两个模型适用于扩散控制相变,例如当奥氏体分解成铁素体时。最后一个模型适合于模拟位移(无扩散)马氏体相变。除了这些模型之外,我们还可以自定义相变模型。COMSOL Multiphysics® 的用户界面直观,我们可以定义模型中的相和相变。下图为 相变 功能的示例设置。该示例基于扩散的 Leblond-Devaux 模型来描述 冶金相 1 如何转变为冶金相 2。图示中输入数据包括与温度有关的函数 func1func2

COMSOL Multiphysics® 中设置窗口的屏幕截图,用于使用 Leblond-Devaux 模型的相变设置。
使用 Leblond-Devaux 模型的相变设置,将冶金相1 和冶金相2 作为源相和目标相。

当添加了金属相 接口后,将自动生成两个金相 节点和一个相变 节点。这是建立这种模型的最低要求。我们可以在模型中定义任意数量的其他相和相变。

如何在模型开发器窗口添加金属相变接口及响应节点

奥氏体分解接口

奥氏体分解 接口是以金属相 接口为基础,专用于模拟钢淬火。添加此接口后,将自动生成代表奥氏体分解过程中最常见的相变金相相变 模型开发器树节点。

模型开发器窗口下的金属加工模块的奥氏体接口

多物理场功能

在许多实际情况下,相变会引起残余应力和变形。例如,淬火过程中的钢部件表面冷却速度最快,而内部的冷却速度较慢。这种不均匀的冷却很关键,因为它会引起应力和相变应变的不均匀分布。

金属加工模块包括两个多物理场耦合节点,可以方便地耦合到固体传热固体力学 接口。相变潜热 多物理场耦合节点用于计算相变过程中的热量释放或吸收。相变应变 多物理场耦合节点用于计算 TRIP、相塑性和热应变。

我们还可以将金属相变 奥氏体分解 接口同时使用进行多物理场耦合。此外,金属相变接口可以计算等效力学属性,并且可以很容易地与固体传热固体力学以及模型中的其他接口耦合使用。

该图显示了相变的计算,以及传热和固体力学
与传热和固体力学接口耦合计算相变。

钢淬火示例

利用上面介绍的功能,我们可以模拟变速箱组件的钢淬火。例如,模拟钢齿轮的渗碳和淬火过程。

在渗碳过程中,碳扩散进入齿轮表面,会影响马氏体相变的开始点。下面的示例模拟了零件在油中的淬火,并计算了最终的相组成、残余应力和变形。模拟结果表明,齿轮的根部出现了较高的残余压应力。尝试自己模拟该示例模型,请参见COMSOL 案例库中的钢齿轮的渗碳淬火案例教程。

钢齿轮的渗碳和淬火:计算碳含量(左)和残余应力(右)。

其他应用

金属加工模块包含的功能不限于铁合金,例如钢和铸铁。我们可以使用金属相变接口模拟在增材制造中常使用的钛基 \alpha – \beta 双相合金 Ti-6Al-4V 的相变。该模块可以实现任意数目的相以及扩散和/或位移相变适合于模拟材料中 \alpha\beta 相的溶解和形成。

金属加工模块的另一个应用是详细分析焊接中的热影响区(HAZ)。众所周知,熔池附近的基础材料会受到焊接过程中热量的影响,并且相变会在焊缝中引起变形和残余应力。

下一步

单击以下按钮,了解金属加工模块中有关模拟冶金相变的专用功能的更多信息:


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