A spur gear model showing phase fractions of austenite in blue and martensite in red.

金属加工模块:模拟冶金相变

机械部件中的相变

像钢这样的材料在受到高温加热或从高温冷却时,可能会发生冶金相变。有时,这些相变是机械部件热处理的一部分,属于有意为之;但也有可能是在焊接等过程中无意引入的。部件中存在的金相会影响其机械属性和热属性,用户可以通过优化相组成来提高部件的性能。COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品“金属加工模块”可用于模拟三维、二维和二维轴对称体中的冶金相变。

金属加工模块支持的建模对象

“金属加工模块”提供一套全面的工具用于模拟钢淬火、焊接和增材制造等制造工艺。这些工具封装在多个物理场接口中,可用于为您要模拟的制造工艺自动建立并求解特定的方程。

钢淬火

钢淬火是一种热处理工艺,在此过程中,钢件被加热到完全奥氏体化后进行淬火。作为一种多物理过程,其中融合了奥氏体分解、传热和结构分析。通过使用“金属加工模块”中的钢淬火 多物理场接口,软件会自动添加多个特征,方便您快速建立模型。该接口会提示您输入奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相的设置,以及从奥氏体到其他各相的相变。此外,其中还设置了多物理场耦合用于分析潜热和相变应变的影响。

除此之外,软件还支持用于结构分析的材料属性与温度相关,您可以在传热分析中将塑性耗散作为热源。运行分析后,您可以检验相的组成,以及部件淬火过程中冷却速率对最终变形和残余应力的影响。基于这些结果,您可以深入了解某种淬火介质的效果,以及部件的物理几何结构如何影响其内部可实现的相组成。

直齿轮模型,其中一部分被切除以显示内部结构,红色部分显示残余应力。 淬火后的直齿轮

渗碳

渗碳是对钢构件加热后将其暴露在富碳(例如一氧化碳)环境中的一种工艺。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。本软件所具有的灵活性为渗碳等相关热处理工艺的建模提供了极大的便利,用户可以根据计算出的碳含量修改相变模型数据。渗碳分析有助于确保工艺的正确实施;淬火后的渗碳处理会在部件表面产生压应力,从疲劳的角度来看这是非常有益的。
使用“金属加工模块”时的 COMSOL Multiphysics UI,其中显示“渗碳”研究设置,并在“图形”窗口中显示钢齿轮模型。 钢齿轮的渗碳淬火研究

相变诱导塑性(TRIP)

一般来说,当材料受到机械应力作用时,就会发生相变,从而产生相变诱导塑性(TRIP)效应。材料的非弹性应变是由低于屈服应力的应力引起的,不会引起传统塑性意义上的塑性流动。“金属加工模块”可用于分析 TRIP 效应,比如从奥氏体到马氏体的相变。

扩散型和位移型相变

软件提供了两种相变模型用于分析扩散控制的相变(例如奥氏体分解为铁素体时的相变):Leblond-Devaux 和 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK);并提供 Koistinen-Marburger 模型用于对位移型(无扩散)马氏体相变进行建模。用户可以通过通用的金属相变 接口获取这些相变模型,该接口支持定义任意数量的相和相变。

此外,用户还可以定义自己的相变模型用于仿真,在此过程中,可能需要对给定的相变进行实验校准。不仅如此,为了方便根据实验数据进行校准,还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。

奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体相分数(用不同的线表示)随时间变化的一维绘图。 相分数随时间的变化情况
COMSOL Multiphysics 的“金属加工模块”UI,“模型开发器”右侧显示 CCT 图和 TTT 图。 COMSOL Multiphysics 中的 CCT 图和 TTT 图

结构分析

本模块使用复合材料的有效材料属性计算应力和应变,这些属性通常与温度和相组成有关。复合材料的弹塑性行为是各相的平均值。当某个相的强度明显大于其他相时,可以采用非线性加权方法来模拟复合材料的有效初始屈服应力。软件提供一个塑性恢复选项,可以确保各相逐渐出现,并且没有之前的塑性应变。其中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,然后对这些相的热应变张量求平均值,可以得到复合材料的热应变。用户可以将“金属加工模块”与结构力学模块结合使用,来执行更高级的结构分析。

三个钢坯模型,分别显示马氏体相分数、塑性应变和轴向应力。 钢坯淬火 10 分钟后的结构分析

热分析

“金属加工模块”采用全热方程进行分析,可以对传热进行建模。此外,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变化。通过将“金属加工模块”与传热模块结合使用,可以执行更高级的传热分析。

感应淬火

如果用户添加了 AC/DC 模块,就可以执行感应淬火仿真,在仿真过程中,可以使用通过感应加热仿真计算的温度场作为淬火仿真的输入数据。

每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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