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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2018年, 第54卷, 第2期 刊出日期:2018-02-20 上一期    下一期
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金属材料制备工艺的计算模拟专刊
集成材料计算模拟:金属制备工艺研究的新范式
李殿中
金属学报. 2018, 54 (2): 129-130.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00038
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炼钢与连铸过程数值模拟研究进展
朱苗勇, 娄文涛, 王卫领
金属学报. 2018, 54 (2): 131-150.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00430
摘要   HTML   PDF (4741KB)

由于钢的冶炼与连铸过程的复杂性以及现场测试条件的限制,数值模拟已成为解析其过程现象和机理不可或缺的手段,自20世纪80年代以来,这种技术得到了飞速发展。在转炉的冶炼方面,利用氧枪超音速射流特性的模拟研究辅助设计了集束、氦气伴随等新型氧枪,通过对转炉熔池内渣-金-气多相流行为模拟研究有效揭示了混匀效率、炉衬冲刷、金属液滴喷溅等物理现象,同时耦合热力学模拟研究了转炉内脱碳、脱磷化学反应过程;在钢的精炼方面,Euler-Euler模型逐渐替代了准单相和Euler-Lagrange模型,成功描述了底吹Ar气钢包内钢液湍流脉动诱导的气泡扩散行为和气泡上浮诱导钢液湍流等现象,而且钢中夹杂物一些新的传输机理和现象也被提出,并利用CFD-PBM模型有效预测了钢液中夹杂物输运、碰撞聚合及去除行为,丰富了钢包精炼夹杂物去除机理,同时CFD-SRM耦合模型实现了钢包精炼多组分参与渣-金反应和脱硫行为的预测,有效揭示了钢液与顶渣的成分、底吹模式对脱硫效率的影响规律;在钢的连铸方面,坯壳-结晶器Cu板热流模型与坯壳热/力模型的耦合成功预测了结晶器周向和高度方向的保护渣和气隙分布特征,奠定了新型内凸型曲面结晶器设计和微合金钢角部裂纹控制的理论基础,结晶器内流场与电磁场耦合模拟研究阐明了电磁搅拌和电磁制动作用下钢液流动行为、液面波动特征以及夹杂物在连铸坯内分布特征,基于体积平均方法的多场/多相凝固模型成功揭示了连铸坯宏观偏析形成机理,定量预测了不同工艺参数下连铸坯中心偏析指数,此外,连铸坯凝固组织演变模拟在晶粒层面上获得了进展,目前正向枝晶领域扩展。整体上讲,钢的冶炼与连铸过程的数值模拟朝着多物理化学/多场耦合方向发展,且研究尺度逐渐向微观层面过渡。

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钢锭铸造过程宏观偏析数值模拟
沈厚发, 陈康欣, 柳百成
金属学报. 2018, 54 (2): 151-160.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00431
摘要   HTML   PDF (2995KB)

本文以宏观偏析数学模型在钢锭铸造过程中的应用为主,阐明了宏观偏析的机理及影响因素,归纳了已有的几类宏观偏析模型,介绍了近年来宏观偏析模型的新发展。还介绍了本课题组进行的大型钢锭宏观偏析数值模拟研究工作,包括开发的多元多相宏观偏析数学模型在36 t钢锭铸造中的应用,以及多包变成分合浇工艺的数值模拟。对36 t钢锭进行全截面解剖,结果表明,模拟结果与实测吻合较好,进而说明所开发的多元多相宏观偏析模型能够较准确地预测钢锭中产生的宏观偏析。此外,模拟结果显示,多包变成分合浇工艺可得到与凝固后实际偏析形式相反的初始溶质分布,这也证明了多包变成分合浇工艺在宏观偏析控制上的应用能力。

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铸造宏观过程数值模拟技术的研究现状与展望
廖敦明, 曹流, 孙飞, 陈涛
金属学报. 2018, 54 (2): 161-173.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00317
摘要   HTML   PDF (4773KB)

本文综述了铸造宏观过程模拟技术的研究现状。对比了不同流动场模型下铸造充型过程的差别,其中,两相流模型可准确地考虑气相对充型过程的影响。分析了不同应力场模型对铸造应力演变过程的适用程度,并阐明了其发展趋势。说明了适用于铸造宏观过程模拟的物性参数的获取及修正方法,即采用实验手段测量合金成分和液固相线温度,通过物性参数计算软件获得合金物性参数并做适当调整,进而结合测温实验对相关参数进行修正。对比了不同铸造工艺下的边界条件,并对高压铸造工艺(速度进口边界)和定向凝固工艺(辐射换热边界)的边界条件进行了说明。对比了不同网格类型的区别,并结合不同网格类型说明了不同数值求解算法的区别,本文认为自适应六面体网格和混合网格类型更适合于有限体积法(充型过程计算)和有限元法(凝固过程和应力计算)。针对各种铸造缺陷,对其预测模型和分析方法进行了说明,并阐明了其发展趋势。

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镁合金压铸过程界面传热行为及凝固组织结构的表征与模拟研究
熊守美, 杜经莲, 郭志鹏, 杨满红, 吴孟武, 毕成, 曹永友
金属学报. 2018, 54 (2): 174-192.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00418
摘要   HTML   PDF (16999KB)

本文系统介绍了镁合金压铸界面换热行为以及凝固微观组织结构的实验表征及计算模拟方面的研究进展,包括:(1) 一种基于换热系数的边界设定模型,由此发现了压铸界面换热系数可以分为初始升高、高值维持、快速下降及低值保持4个阶段;(2) 压室预结晶流动分布预测模型,据此得到了压室预结晶组织的主要分布规律及其对镁合金铸件缺陷带形成的影响;(3) 考虑压室预结晶组织的压铸镁合金形核模型及生长模型;(4) 结合离异共晶形核及生长机制建立的镁合金压铸工艺条件下微观组织演变的数学模型;(5) 镁合金枝晶组织的三维形貌和生长取向的研究,发现镁合金枝晶组织呈现十八个分支的形貌特征,分别沿着基面的<112?0>方向和非基面的<112?3>方向生长,由此建立了镁合金枝晶各向异性的生长模型,实现了镁合金枝晶组织的三维模拟研究。

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合金凝固组织微观模拟研究进展与应用
王同敏, 魏晶晶, 王旭东, 姚曼
金属学报. 2018, 54 (2): 193-203.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00428
摘要   HTML   PDF (3126KB)

凝固组织是连接合金成分与性能的桥梁,准确认识和把握合金凝固微观组织的形成机理、主导因素与控制途径,对凝固组织与性能的优化具有重要意义。近年来凝固过程数值模拟取得了显著进展,元胞自动机(cellular automaton,CA)在合金凝固组织模拟研究方面展现出极大潜力。本文阐述了凝固组织计算中常见的形核模型与特点,对CA法枝晶生长模拟中的关键环节进行了分析和探讨,在此基础上,简要概括了铸造、定向凝固等相关领域凝固组织宏观-微观耦合模型的开发和应用现状,并对凝固组织模拟的发展趋势进行了展望。

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原子尺度下凝固形核计算模拟研究的进展
王锦程, 郭灿, 张琪, 唐赛, 李俊杰, 王志军
金属学报. 2018, 54 (2): 204-216.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00425
摘要   HTML   PDF (8443KB)

形核是一级不连续相变的起点,对后续材料组织的形成及最终产品的性能具有重要影响。形核过程、机制及其控制一直是材料科学和凝聚态物理等领域中最为活跃的研究课题之一。形核过程发生在原子空间尺度及扩散时间尺度,同时还具有随机性,因此充分认识形核过程将面临极大的挑战。受实验条件的限制,目前难以通过实验方法直接观测金属凝固中晶核的形成过程。近年来,随着计算材料科学的兴起,借助于数值模拟方法,凝固形核问题研究取得了很大的进展。本文首先回顾了形核理论的发展历程,然后对当前凝固形核模拟的研究进展进行述评,并介绍本课题组近年来基于晶体相场模型在形核研究方面的工作进展,最后对形核研究进行了展望。

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奥氏体/铁素体界面迁移与元素配分的研究进展
陈浩, 张璁雨, 朱加宁, 杨泽南, 丁然, 张弛, 杨志刚
金属学报. 2018, 54 (2): 217-227.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00465
摘要   HTML   PDF (2925KB)

相变是钢铁材料微观组织调控的关键手段。高性能化的发展需要对钢铁材料组织进行更加精细的调控,这也对相变理论的认知提出了更高的要求。奥氏体-铁素体相变是先进高强钢制备过程中最为重要的相变之一。相变过程中的界面迁移与元素配分行为在很大程度上决定了钢铁材料制备过程中组织的演化过程,对实现微观组织的精细化调控至关重要,一直以来是钢铁相变领域的研究热点与难点。本文从理论模型和实验研究2方面,简要综述了近年来国内外关于奥氏体-铁素体相变的界面迁移与元素配分行为的研究进展,并对该研究方向尚未解决的科学问题进行了讨论与展望。

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电磁场技术在冶金领域应用的数值模拟研究进展
王强, 何明, 朱晓伟, 李显亮, 吴春雷, 董书琳, 刘铁
金属学报. 2018, 54 (2): 228-246.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00360
摘要   HTML   PDF (9779KB)

电磁场是控制冶金及材料制备过程中传热、传质、流体流动及金属凝固等物理化学变化的重要手段,对于提高生产效率和产品质量具有重要意义。本文主要综述了近些年来电磁场在冶金过程中典型应用技术的数值模拟研究进展,包括电磁热在电磁出钢技术和中间包感应加热中的应用,电磁力在电磁旋流水口连铸技术、软接触电磁连铸技术、中间包电磁冶金技术等中的应用以及电磁力对金属凝固组织的影响与控制,综合利用电磁热和电磁力的冷坩埚合金熔铸技术等。通过数值模拟的方法可以准确掌握冶金和材料制备过程中电磁场的作用规律,进而预测、分析、优化冶金过程,这对电磁冶金新技术的推广应用至关重要。

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振动过程的数值模拟在金属凝固中应用的研究进展
吴士平, 王汝佳, 陈伟, 戴贵鑫
金属学报. 2018, 54 (2): 247-264.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00424
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将振动技术应用于金属凝固过程,既能有效改善凝固组织、提高铸件的性能,还具有成本低、节能环保的优点,因此振动技术在金属凝固中的应用得到了广泛的实验研究。但由于金属熔体的高温和不透明性阻碍了对它的测量和观察,振动对凝固影响的机理尚不完全清楚。数值模拟能够提供振动条件下流场、温度场、应力场等各个参量的变化规律,有助于更全面地理解振动的作用机理。同时,振动对金属凝固影响的数值模拟还未得到系统研究。本文介绍了振动技术在金属凝固中应用的数值模拟的研究进展,在振动方式上主要包括超声振动、机械振动及脉冲电磁场的数值模拟,在应用内容上主要包括熔体处理、充型、凝固、除杂及时效过程的数值模拟。系统地介绍了振动技术在铸造过程的各方面应用的数值模拟原理和技术的研究现状,同时对未来研究方向进行了展望。

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搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟
武传松, 宿浩, 石磊
金属学报. 2018, 54 (2): 265-277.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00294
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搅拌摩擦焊接过程中的产热、传热与塑性材料流动行为直接决定了焊接接头的组织演变及力学性能。对这些物理现象开展数值模拟研究,对于深入理解搅拌摩擦焊接过程的物理机制和优化焊接工艺具有重要意义。本文综述了搅拌摩擦焊接过程产热、传热与材料流动数值模拟的国内外研究现状,指出了存在的主要问题。介绍了作者课题组近年来针对这些问题所开展的研究工作。根据搅拌头-工件界面上的受力特点,研发出了黏着系数和摩擦因数的测试-计算法,为提高数值模拟的精度奠定了基础。建立了针对复杂截面形状搅拌针的搅拌摩擦焊接过程数学模型,数值分析了3种典型搅拌头情况下焊接过程中的产热率、温度分布和塑性流动行为。建立了包含下压、停留、焊接及冷却4个阶段的搅拌摩擦焊接全过程的传热-流动耦合模型,模拟了焊接过程各阶段的产热、温度场和塑性材料流动的演变情况。在此基础上,对搅拌摩擦焊接过程数值模拟领域未来的发展趋势进行了展望,提出了下一步的研究重点。

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晶体相场模型及其在材料微结构演化中的应用
高英俊, 卢昱江, 孔令一, 邓芊芊, 黄礼琳, 罗志荣
金属学报. 2018, 54 (2): 278-292.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00336
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随着计算机技术的快速发展,计算机模拟实验在材料科学中的作用越来越突出。计算机数值模拟技术已经和实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要地从空间特征分辨尺度和时间特征尺度比较了几种重要的计算模拟方法——分子动力学(MD)、传统相场方法(TPF)和晶体相场(PFC)方法的各自适应的特征尺度范围和特点。在模拟纳观尺度的材料微结构演化,PFC在特征时间尺度上更具优势。其次,介绍了PFC模型,及其建立的物理基础和数学基础,以及该方法的特色优势。同时,介绍该PFC模型的拓展与推广,包括二元和多元体系、气-液-固三相体系、双模和多模体系的PFC模型,以及求解PFC模型的动力学方程数值计算的关键技术与主要步骤。再次,结合作者在材料微结构演化方面的研究,着重介绍PFC模型的几个重要方面的应用例子,包括材料纳观缺陷结构演化、凝固的枝晶生长和晶体外延生长、高温预熔化变形和动态回复、纳观尺度的裂纹扩展与分叉、无序-有序金属玻璃转变、石墨烯的缺陷结构、金属互联线电迁移空洞、多铁复合材料的畴结构、金属泡沫结构的生成等。最后,总结并指出PFC模型的拓展方向与今后应用的重点方面和新领域。

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固溶体中的化学结构单元与合金成分设计
董闯, 董丹丹, 王清
金属学报. 2018, 54 (2): 293-300.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00462
摘要   HTML   PDF (1254KB)

工业合金具有特定的牌号成分,理解这些特殊成分背后的结构根源可以从原子结构层面上指导新合金的研发,有效缩短工业合金的制备流程。工业合金多以固溶体结构为基础,而固溶体以化学近程有序为结构特征,长期以来,人们只能以统计方式获得溶质元素偏离平均结构的程度,由于缺失描述近程序的精确结构分析方法,导致无法构建能够指导合金成分设计的有效结构模型。既然优质合金均具有特殊成分,这些成分背后一定对应于类似于分子的特定结构单元。本课题组提出了一种全新的近程有序描述方式——团簇加连接原子。该模型认为,对于固溶体合金,存在理想满足原子间相互作用的化学结构单元,仅涵盖第一近邻团簇以及若干次近邻的连接原子,可表示为团簇成分式的形式:[团簇](连接原子)。这种团簇式类似于化学物质的分子式,是代表合金平均结构的最小结构单元。通过将Friedel振荡机制引入到团簇加连接原子模型中,建立了固溶体的团簇共振模型,给出了团簇的球周期近邻堆垛方式,从而解决了原子密度的关键问题。结果表明,团簇成分式中所包含的原子个数正比于体系的平均原子密度和团簇半径的立方,由此可以定量地计算出理想化学结构单元的具体形式。本文列举了根据公式计算得到的典型铜基二元合金最佳化学结构单元,计算所得成分与最常用工业合金高度吻合。本工作为成分设计提供了一种新的实用方法。

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W中H行为的计算模拟研究
周洪波, 李宇浩, 吕广宏
金属学报. 2018, 54 (2): 301-313.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00414
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采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法和基于Newton力学的分子动力学方法,对H在W中的溶解、扩散、聚集、形核等行为及H对W性能影响进行系统研究,发现了H在W中占位和聚集的“最佳电子密度”规则,揭示了W中H泡形核的空位捕获机制;发现了H聚集诱发的各向异性应变可降低H在W中的溶解能,从而产生H溶解增强效应,藉此提出H泡生长的应变级联机制;提出通过惰性气体/合金化元素掺杂改变W中缺陷处的电子密度,有效阻止H2分子在缺陷处的形成和聚集,从而抑制W中H泡形成的方法。本文对这一系列的工作进行了综述。这些研究成果将为未来聚变堆用W-PFM的设计、制备和应用提供重要参考。

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ZTAp/HCCI复合材料凝固过程中的温度场和热应力的数值模拟
种晓宇, 汪广驰, 杜军, 蒋业华, 冯晶
金属学报. 2018, 54 (2): 314-324.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00351
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基于有限元分析软件,模拟了在铸造过程中ZTA (ZrO2增韧Al2O3)陶瓷颗粒增强高铬铸铁基(HCCI)复合材料的温度场和热应力。在凝固初期分别以均匀初始温度和非均匀初始温度研究了铸件凝固过程的温度场。充型结束后,当把凝固的初始温度当作不稳定温度场时,更接近实际条件。在研究铸件的温度场过程中,考虑了不同蜂窝形状预制体对温度场的影响。应用了热弹塑性力学模型精确地描述了铸件热应力分布。分别研究了含有不同结构预制体的铸件的热应力,结果表明:热应力会随着预制体孔的边数的增加而逐渐减小。最后预测了热裂纹缺陷,优化了落砂工艺参数。模拟结果和实验结果高度吻合。

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ODS钢中氧化物/铁素体界面捕氢行为的第一原理研究
冯宇超, 邢炜伟, 王寿龙, 陈星秋, 李殿中, 李依依
金属学报. 2018, 54 (2): 325-338.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00459
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通过第一原理计算系统研究了氧化物弥散强化钢(ODS钢)中H原子在氧化物析出相Y2TiO5和Y2Ti2O7间隙的占位能;计算了H在Y2Ti2O7/bcc-Fe界面的占位能,分析发现这些H原子占位均容易固溶在电荷密度较高的间隙位置。计算也进一步揭示,在界面处Fe空位更容易形成;H原子倾向于占据Y2Ti2O7/bcc-Fe界面中Fe相一侧,而He原子则容易占据氧化物一侧,这表明在ODS钢中H原子会优先被氧化物沉淀相与基体间界面所吸收。ODS钢中大量弥散析出的纳米氧化物与基体间的界面结构,客观上实现了H原子的有效分散,并能够将H团簇稳定在更细小的尺度;而且在界面H团簇长大过程中会吸收大量的H原子和空位,可能以此作为辐照离位损伤缺陷的自愈合点,从而解释了ODS钢优越的耐辐照损伤性能。同时,计算也尝试解释了H-He双粒子辐照对ODS钢辐照空洞的产生存在协同效应的实验结果。

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LZ91 Mg-Li合金分流模挤压成形过程数值模拟与实验研究
陈良, 赵国群, 陈高进, 梁赵青, 张存生
金属学报. 2018, 54 (2): 339-346.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00420
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建立了LZ91 Mg-Li合金分流模挤压过程的有限元模拟模型,研究了挤压比对型材挤压过程中温度、应变、流动速度等物理场量的影响规律,采用J准则对型材的焊合质量进行了定量分析,并开展了不同挤压比条件下的分流模挤压实验,研究了铸造态、均热态、挤压态LZ91 Mg-Li合金的微观组织特点。结果表明,在分流桥表面及其下部的材料处于大变形区,分流孔内部的材料处于小变形区,且随挤压比增加,材料的应变整体上升。受塑性变形热和型材冷却散热等因素的影响,分流桥上端材料的温度升高,但越靠近模具出口处,材料的温度越低。焊合质量受多种因素的影响,焊缝中心位置处的焊合质量低于焊缝边缘处,而随着挤压比的增大,焊合质量得到改善。焊缝区由于应变较大,其再结晶形核数量多,生成的晶粒较细小,而基体区因动态再结晶不够充分,其晶粒比较粗大。当挤压比增大时,由于温度升高,还发生了晶粒长大现象。

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RH精炼过程中气液两相流动及混匀现象的模拟研究
刘畅, 李树森, 张立峰
金属学报. 2018, 54 (2): 347-356.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00429
摘要   HTML   PDF (6076KB)

利用水模型与数值模拟相结合的方法,对Ruhrstahl-Heraeus (RH)精炼过程中的多相流体流动及混匀现象进行模拟研究。根据相似原理建立与实际210 t RH精炼装置几何相似比为1:5的水模型,采用粒子图像测速(PIV)技术获取水模型中心截面处流场分布。数值模拟采用多相流模型(VOF)和离散相模型(DPM)相耦合的计算方法,湍流模型分别选用k-ε模型和大涡模拟(LES)模型。对比测量值与计算值,结果表明2种湍流模型均能较好地预测RH内流场分布;而采用LES模拟能够获得RH内瞬态的速度分布及漩涡的产生和耗散过程。测量并计算了水模型钢包内整体的混匀时间分布,结果表明上升管附近区域的混匀时间大于下降管附近区域的混匀时间。开发了气泡膨胀的数学模型,并将其用于钢液-氩气体系的模拟计算,结果表明气泡膨胀过程对钢液流动的影响显著。

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