金属加工模块

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本引入了新的“金属加工模块”。这一附加模块支持您对钢和铸铁等材料中的冶金相变进行建模。

金属加工模块概述

“金属加工模块”引入了两个新的物理场接口:金属相变奥氏体分解,用于分析冶金相变。这两个接口都提供对扩散型相变和位移型相变进行建模的功能。和所有 COMSOL Multiphysics® 附加模块相同,“金属加工模块”也是基于多物理场的思想开发的。

该模块与“传热模块”结合使用时,可以提供更复杂的传热功能,能够计算有效热材料属性以及相变潜热和热辐射效应。类似地,通过与“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。此外,“金属加工模块”还可以计算有效力学材料属性,并可以包含相变诱导塑性 (TRIP) 和热应变等现象。

金属相变接口

金属相变 接口通过计算热处理过程中变速齿轮、主轴和其他轴等组件中相组成的演变情况,可以研究钢等材料在加热或冷却过程中发生的冶金相变。金相 特征用于定义初始相分数和材料属性,相变 特征用于定义源相、目标相和相变模型。在添加该接口时,软件会自动生成两个金相 节点和一个相变 节点,这是建立此类模型的最低要求。然后,您可以在模型中定义任意数量的附加相和相变。

该接口提供三种类型的相变模型:

  • Leblond–Devaux 模型
  • Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK) 模型
  • Koistinen–Marburger 模型

前两个模型适用于分析扩散控制的相变,例如奥氏体分解成铁素体的情况。最后一个模型适用于对位移型(无扩散)马氏体相变进行建模。除了这些模型以外,您还可以定义自己的相变模型。

在 COMSOL Multiphysics 中使用其中一种相变模型模拟奥氏体向铁素体和珠光体的转变。 金属相变示例 本例演示使用 金属相变接口模拟金属棒的相变。设置窗口显示用于将奥氏体分解为铁素体和珠光体混合组织(右)的 Leblond-Devaux 模型。图中还显示了在 30 分钟标记处,金属棒半径上的所有相分数(左下)。

奥氏体分解接口

奥氏体分解 接口以金属相变 接口为基础,但专门用于钢的淬火。因此,在添加该接口时,软件会自动生成金相相变 “模型开发器”树节点,它们表示奥氏体分解过程中最常见的相变过程。通过使用奥氏体分解 接口,您可以计算相组成在组件中的特定位置如何随时间变化,并计算淬火后的残余应力状态。

钢直齿轮中显示淬火产生的残余应力。 钢淬火示例 图中显示 奥氏体分解接口和 设置窗口。直齿轮中显示残余应力。

相变模型校准

对于给定的相变,需要进行实验校准。通过使用金属相变奥氏体分解 接口,您可以计算常见的相变图,以便根据实验数据进行校准。相变图计算模型对计算的连续冷却转变 (CCT) 图进行了举例说明。

计算的 CCT 图显示金属温度随时间的变化情况。 CCT 图 计算的连续冷却转变 (CCT) 图的示例。

多物理场功能

“金属加工模块”提供两个多物理场耦合节点,以便与固体传热固体力学 接口进行耦合。相变潜热 多物理场耦合用于包含冶金相变过程中释放或吸收的热量。相变应变 多物理场耦合用于包含 TRIP、单金相的塑性和热应变。多物理场耦合可以与金属相变奥氏体分解 接口结合使用。此外,“金属加工模块”还可以与“AC/DC 模块”一起用来模拟感应淬火,而渗碳等工艺可以作为一般的扩散问题进行建模。

教学案例

“金属加工模块”提供四个完整的教学案例,用于演示可用的特征和功能。

相变图计算
计算的 CCT 图。 CCT 图 该模型演示如何计算相变图。结果显示计算的 CCT 图。

“案例库”标题:
transformation_diagram_computation
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圆棒中的相变
显示 1800 秒时马氏体相分数的模型。 马氏体相分数 该模型显示如何模拟从奥氏体状态冷却的圆棒的相变。结果显示马氏体的相分数。

“案例库”标题:
phase_transformations_in_a_round_bar
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钢坯淬火
显示冶金相组成在 600 秒内的演变情况的绘图。 相组成随时间的变化情况 该模型显示如何模拟钢坯的油淬火。结果显示各种金相的相组成随时间的变化情况。

“案例库”标题:
quenching_of_a_steel_billet
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钢齿轮的渗碳淬火
钢齿轮模型,其中显示渗碳淬火产生的残余应力可视化效果。 钢齿轮 此模型显示如何模拟钢齿轮的渗碳淬火工艺。结果显示齿轮中的残余应力。

“案例库”标题:
carburization_and_quenching_of_a_steel_gear
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