金属加工模块

模拟机械零件的冶金相变

钢、铸铁等金属材料加热到高温或从高温冷却时,材料可能会发生冶金相变。“金属加工模块”是 COMSOL Multiphysics® 仿真软件的一个附加产品,可以用于分析冶金相变对材料力学性能和热性能的影响,模拟主动(如钢淬火和渗碳)或被动(如增材制造和焊接)引入的冶金相变过程,其内置的多物理场耦合功能可以帮助您优化材料的相组成,以提升金属零件的性能。

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灰色金属直齿轮模型,包含用红色、白色和蓝色显示的小切面。

钢淬火

钢淬火是一种热处理工艺,通过使已经加热到完全奥氏体状态的钢件快速冷却来实现。由于涉及奥氏体分解、传热和结构分析,是一个多物理场耦合问题。针对这一特热处理工艺,“金属加工模块”提供了专用的特征和功能。

基于分析结果,您可以检查相组成,并考察冷却速率在零件淬火过程中对最终变形和残余应力的影响。通过这些结果,您还可以分析和比较不同的淬火介质,以及零件的物理几何结构对相组成的影响。

渗碳

渗碳是对钢构件进行加热后,将其暴露在富碳(例如一氧化碳)环境中的一种处理工艺。碳通过边界从周围环境扩散到材料中,这是一个瞬态扩散过程。对渗碳过程进行分析有助于理解并确保该过程的正确执行。渗碳后淬火可以在部件表面产生压应力,这有助于降低疲劳风险。

金属加工模块的特征和功能

在三维、二维、二维轴对称和零维体中对冶金相变及相关现象进行建模。

“相变”设置的特写视图和奥氏体相分数的二维绘图。

金属相变

金属相变 接口用于研究钢等材料在加热或冷却过程中发生的冶金相变。您可以使用金相 特征来定义初始相分数和材料属性;以及使用相变 特征来定义源相、目标相和相变模型。

本模块提供三种类型的相变模型用于分析扩散控制的相变(例如奥氏体分解成铁素体时的相变):Leblond–DevauxJohnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK)Kirkaldy–Venugopalan。此外,还提供 Koistinen–Marburger 模型用于模拟位移型(无扩散)马氏体相变。

用户可以使用 TTT 图数据等来定义这些相变模型,不仅可以为每个模型单独定义相变数据,还可以选择从软件 JMatPro® 导入数据。

除了对钢的相变进行建模以外,用户也可以对常用于增材制造的钛合金等金属进行建模,还可以自由定义自己的相变模型。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“奥氏体分解”节点;“图形”窗口中显示直齿轮应力模型。

奥氏体分解

奥氏体分解 接口是金属相变 接口的专用版本,用于模拟钢从奥氏体状态快速冷却过程中的奥氏体分解,其中自动包含金相(奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体)以及淬火过程中可能发生的相变。

“模型开发器”的特写视图,其中选定“碳浓度”结果节点;“图形”窗口中显示钢齿轮。

渗碳

渗碳 接口用于模拟热处理过程中的渗碳过程。您可以使用该接口来定义周围环境中的碳浓度,指定碳在表面上的移动方式,并定义碳在部件内的扩散方式。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“优化”节点;“图形”窗口中显示 TTT 图。

校准相变模型

您在定义自己的相变模型用于仿真时,可能需要对给定的相变进行实验校准。为了方便根据实验数据进行校准,您可以计算常见的相变图,例如连续冷却转变(CCT)图和时间-温度转变(TTT)图。请注意,根据 TTT 数据进行校准时需要使用优化模块

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“相变潜热”节点;“图形”窗口中显示圆棒温度。

相变传热

相变传热 多物理场接口可用于模拟热负载过程中的冶金相变。“金属加工模块”采用完整的热方程进行分析,可以对传热进行建模。软件会自动建立多物理场耦合来分析潜热。导热系数、密度和比热容可以与温度相关,甚至还可以取决于当前的相组成。举例来说,奥氏体的导热系数与铁素体的不同,随着相分数的变化,复合材料的导热系数也会发生改变。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示三个物理场节点;“图形”窗口中显示钢坯的三个模型结果。

钢淬火

预定义的钢淬火 多物理场接口可用于自动设置钢淬火仿真,其中添加了奥氏体分解 接口以及固体力学固体传热 接口。软件会自动建立多物理场耦合,以分析各个金相的相变应变和潜热。

与“非线性结构材料模块”结合使用时,“金属加工模块”可用于详细计算淬火过程中的应力和应变,其中包含各个金相的塑性应变,塑性恢复选项和非线性加权方案可用于对复合材料的有效初始屈服应力进行建模。该模块使用体积参考温度和热膨胀系数来计算各相的热应变张量,当材料的非弹性应变源自低于屈服应力的应力,并且不会引起经典塑性意义上的塑性流动时,还可以分析相变诱导塑性(TRIP)效应。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“金属相变”节点;“图形”窗口中显示圆棒的结果。

相和复合材料属性

金属相变奥氏体分解 接口可以根据各个金相的材料属性来计算有效材料属性。这些有效属性可以被其他接口直接使用,如固体传热固体力学 接口。您可以为每个金相单独定义材料属性,并可以选择从 JMatPro® 软件导入它们。

除了对钢的相变建模以外,您还可以对钛合金等常用于增材制造的金属进行建模,您可以自由定义自己的相变模型。

使用金属加工模块扩展建模功能

与产品库中的其他产品一样,当您将“金属加工模块”添加到 COMSOL Multiphysics® 以后,其中的特征和功能可以完全集成到建模工作流程中,并支持与您可能拥有的任何其他模块一起使用。例如,您可以将“金属加工模块”与以下模块结合使用:

  • 非线性结构材料模块,以便详细研究淬火仿真中的残余应力和应变。
  • 传热模块,从而与热辐射效应(可能与淬火情况相关)相结合。
  • AC/DC 模块,以执行感应淬火仿真,并在此过程中使用感应加热仿真计算的温度场作为淬火仿真的输入。

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