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概述

金屬處理模組引入了兩個新的物理場介面:金屬相變 奧氏體分解,用於分析冶金相變。這兩個介面都提供對擴散相變和位移型相變進行建模的功能。和所有 COMSOL Multiphysics®附加模組相同,金屬處理模組也是基於多物理場的思想開發的。

該模組與熱傳模組結合使用時,可以提供更複雜的熱傳功能,能夠計算等效熱材料屬性以及相變潛熱和熱輻射效應。類似地,藉著與結構力學模組及其附加模組結合使用,可以計算殘留應力、相變應變和變形。此外,金屬處理模組還可以計算等效力學材料屬性,並可以包含相變引起的塑性 (TRIP) 和熱應變等現象。

金屬相變介面

金屬相變 (Metal Phase Transformation) 介面透過計算如熱處理過程中變速齒輪、主軸和其他軸等組件中相組成的演變情況,可以研究鋼等材料在加熱或冷卻過程中發生的冶金相變。冶金相 (Metallurgical phase) 特徵用於定義初始相分率和材料屬性,相變 (Phase transformation) 特徵用於定義來源相、目標相和相變模型。在添加該介面時,軟體會自動生成兩個冶金相節點和一個相變 節點,這是建立此類模型的最低要求。然後,您可以在模型中定義任意數量的附加相和相變。

該介面提供三種類型的相變模型:

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

 

前兩個模型適用於分析擴散控制的相變,例如奧氏體分解成鐵氧體的情況。最後一個模型適用於對位移型(無擴散)馬氏體相變進行建模。除了這些模型以外,您還可以定義自己的相變模型。

本案例展示使用金屬相變介面模擬金屬棒的相變。設置視窗顯示使用 LeblondDevaux 模型將奧氏體轉變為鐵氧體和波來鐵,30分鐘後,可以在結果圖中看到模擬結果。在30分鐘標記處,還顯示了金屬棒半徑上的所有相分率。

奧氏體分解介面

奧氏體分解 (Austenite Decomposition) 介面以金屬相變介面為基礎,但專門用於鋼的淬火。因此,在添加該介面時,軟體會自動生成金相和相變“模型建立器”節點,它們表示奧氏體分解過程中最常見的相變過程。透過使用奧氏體分解介面,您可以計算相組成在組件中的特定位置如何隨時間變化,並計算淬火後的殘留應力狀態。

圖中顯示奧氏體分解介面和設置視窗。直齒輪中顯示殘餘應力。

相變模型校正

對於給定的相變,需要進行實驗校準。透過使用金屬相變和奧氏體分解介面,您可以計算常見的相變圖,以便根據實驗數據進行校正。相變圖計算模型對計算的連續冷卻轉變 (CCT) 圖進行了舉例說明。

計算的連續冷卻轉換 (CCT) 圖的案例。

多物理場功能

“金屬處理模組”提供兩個多物理場耦合節點,以便與固體熱傳和固體力學介面進行耦合。相變潛熱多物理場 (Phase Transformation Latent Heat) 耦合用於包含冶金相變過程中釋放或吸收的熱量。相變應變 (Phase Transformation Strain) 多物理場耦合用於包含TRIP、單金相的塑性和熱應變。多物理場耦合可以與金屬相變和奧氏體分解介面結合使用。此外,“金屬處理模組”還可以與“AC/DC 模組”一起用來模擬感應淬火,而滲碳等製程可以作為一般的擴散問題進行建模。

教學案例

金屬處理模組提供四個完整的教學案例,用於展示可用的特徵和功能。

該模型展示如何計算相變圖。結果顯示計算的 CCT 圖。

該模型顯示如何模擬從奧氏體狀態冷卻的圓棒的相變。結果顯示馬氏體的相分率。

該模型展示如何模擬鋼坯的油淬火。結果顯示各種金相的相組成隨時間的變化情況。

此模型顯示如何模擬鋼齒輪的滲碳淬火製程。結果顯示齒輪中的殘留應力。