基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法，解决金属铸件不均匀组织及力学性能分布难以精确、定量预测的难题，具体是基于铸件熔体冷却速率与微观组织参量及力学性能参量间定量关系，结合铸件充型模拟，计算金属铸件不均匀微观组织参量及力学性能(强度、塑性)参量的方法。法。法。

Cloud chart calculation method of uneven microstructure and mechanical properties of metal castings based on experimental data

【技术实现步骤摘要】
基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法


[0001]本专利技术属于金属材料铸件微观组织及力学性能仿真
，具体涉及一种基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法，即基于冷速不均匀性计算金属铸件不均匀微观组织及力学性能分布云图的方法。

技术介绍

[0002]铸造是一种低成本、高效率的金属复杂结构件的成形技术，广泛应用于金属结构件制造领域；绝大多数金属铸件均存在壁厚不均匀问题。金属液注入型腔后，这种壁厚不均匀性必然导致铸件各部位熔体的冷却速率存在差异，而金属熔体冷却速率的差异则会导致铸件微观组织及力学性能的不均匀。因此，因熔体冷却速率差异导致的微观组织及力学性能不均匀性普遍存在于金属铸件(尤其是金属型铸造件)中。
[0003]零部件微观组织及力学性能的不均匀性对铸件的使役性能、受力仿真、结构设计等至关重要。例如，铸件微观组织的不均匀分布会严重影响铸件的抗疲劳性能；另一方面，基于有限元方法的零部件受力仿真及结构设计，大多基于零部件力学性能均匀的假设，忽略铸件力学性能的不均匀性必然会大幅降低受力仿真及结构设计的可靠性及精度。因此，如何定量计算并预测铸件不均匀微观组织及力学性能分布，并绘制关键微观组织参量及力学性能参量在铸件不同位置分布的云图，有利于对铸件的使役性能进行预测、结构设计进行优化。
[0004]对于不均匀微观组织的模拟，目前的方法有元胞自动机。例如，公告日为2021年3月12日、公告号为CN110245449B的中国专利文件公开了一种镁合金铸造件成分不均匀性数值预测方法，其中采用元胞自动机法模拟具有不同生长取向的α
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Mg枝晶生长，获得枝晶比表面积随固相分数变化曲线。目前的研究多集中与一维和二维元胞自动机，对于三维实体铸件还不能整体预测。二维元胞自动机通常以规则的空间单元(如四方格网、等边三角形等)划分，按照Von
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Neumann型、Moore型和Margolus型等方法进行规则处理，这直接导致元胞状态转换规则一般不能应用于更远的单元。
[0005]对于预测力学性能的方法，目前可以通过组织预测。例如，公告日为2015年9月9日、公告号为CN104899412A的中国专利公开了一种铝合金铸件力学性能预测方法，其中采用孔隙率与二次枝晶臂间距来预测力学性能，该方法中孔隙率、二次枝晶臂间距与力学性能的关系是通过实验得到的，但孔隙率、二次枝晶臂间距是通过建立凝固过程的数学模型得到的，并未与实际实验结合。
[0006]目前的微观组织预测和力学性能预测都没有与实验结合，且理论参数难以获取，无法精确三维预测。在零部件的实际铸造过程中无法观察到冷速，也无法判断零部件的微观组织和力学性能。
[0007]因此，亟需探索一种新的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对金属铸件不均匀组织及力学性能分布难以精确、定量预测的难题，提供了一种基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法，具体是基于铸件熔体冷却速率与微观组织参量及力学性能参量间定量关系，结合铸件充型模拟，计算金属铸件不均匀微观组织参量及力学性能(强度、塑性)参量的方法。
[0009]本专利技术的专利技术构思：
[0010]首先通过实验和/或理论计算的方法，建立熔体冷却速率与微观组织参量及力学性能参量间的定量关系；然后，通过模流分析软件(EASYCAST、ProCAST等)模拟充型过程中铸件不同位置的冷却速率，将包含铸件位置坐标信息及冷却速率的原始文件导出；进一步通过编程，基于所获得的熔体冷却速率与微观组织参量及力学性能参量间的定量关系、铸件位置坐标信息及冷却速率，计算得到铸件不同位置对应的微观组织参量及力学性能；最后，通过Matlab编程，计算获得铸件微观组织及力学性能的定量分布云图。
[0011]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：
[0012]一种基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法，其特殊之处在于：
[0013]S1、建立样品微观组织参量以及力学性能参量与熔体冷却速率间的定量关系：
[0014]S1.1制备不同冷速的实验样品：
[0015]通过设计不同壁厚的浇铸模具，使其冷速分布在0～120K/s之间，获得7组以上不同冷却速率的实验样品；
[0016]S1.2对S1.1制备出的7组以上不同冷却速率的实验样品分别进行微观组织测量，获得各微观组织参量与熔体冷却速率间的对应数据，进一步通过数据分析(在Origin软件里进行数据分析)，建立微观组织参量与熔体冷却速率间的定量关系；
[0017]对S1.1制备出的7组以上不同冷却速率的实验样品分别进行标准力学性能测试，获得力学性能参量与熔体冷却速率间的对应数据，进一步通过数据分析(在Origin软件里进行数据分析)，建立力学性能参量与熔体冷却速率间的定量关系；
[0018]S2、在模流分析软件里获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系(铸件与实验样品材料相同)：
[0019]通过模流分析软件，分析不同铸造工艺条件下，熔体充满铸件型腔后，铸件不同位置的温度场变化(不同的铸造工艺是指重力铸造、低压铸造等这种铸造条件不同的工艺，在这些模流分析软件中通过设置铸造参数可以得到不同铸造工艺的温度场)，选择铸件凝固发生前熔体的冷却速率作为各位置的冷却速率，获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系(具体在模流软件里获得铸件模型与冷却速率的云图，具体的数据需要利用Matlab软件提取)，获得零部件铸件三维冷速分布；
[0020]S3、利用S1建立的微观组织参量与熔体冷却速率间的定量关系、力学性能参量与熔体冷却速率间的定量关系，以及S2得到铸件位置坐标与冷却速率的对应关系，通过Matlab程序，获得铸件位置坐标与微观组织参量和力学性能参量的对应关系(即得到铸件不同位置对应的微观组织参量及力学性能)；之后，利用scatter3的函数，获得金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图。
[0021]具体是：利用Matlab本身自带的函数进行编程提取铸件位置坐标和冷却速率信
息，并代入S1建立的关系，进而得到铸件位置坐标与对应的微观组织参量和力学性能参量，最后再利用scatter3的函数，将铸件位置坐标与微观组织参量和力学性能参量的对应关系在三维空间内作图，可获得各参量在铸件整体空间内的分布，至此获得金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图。
[0022]进一步地，S1中，所述微观组织参量是指二次枝晶臂间距；
[0023]所述力学性能参量是指屈服强度或塑性。
[0024]进一步地，S2中，所述模流软件为EASYCAST、ProCAST。
[0025]进一步地，所述S1和S2顺序可以调换。
[0026]本专利技术的优点是：
[0027]1.本专利技术提出了一种铸件不均匀微观组织及力学性能在铸件空间分布的计算和预测方法。与当前商用软件中的微观组织预测方法相比，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实验数据的金属铸件不均匀微观组织及力学性能云图计算方法，其特征在于：S1、建立样品微观组织参量以及力学性能参量与熔体冷却速率间的定量关系：S1.1制备不同冷速的实验样品通过设计不同壁厚的浇铸模具，使其冷速分布在0～120K/s之间，获得7组以上不同冷却速率的实验样品；S1.2对S1.1制备出的7组以上不同冷却速率的实验样品分别进行微观组织测量，获得各微观组织参量与熔体冷却速率间的对应数据，进一步通过数据分析，建立微观组织参量与熔体冷却速率间的定量关系；对S1.1制备出的7组以上不同冷却速率的实验样品分别进行标准力学性能测试，获得力学性能参量与熔体冷却速率间的对应数据，进一步通过数据分析，建立力学性能参量与熔体冷却速率间的定量关系；S2、在模流分析软件里获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系：通过模流分析软件，分析不同铸造工艺条件下，熔体充满铸件型腔后，铸件不同位置的温度场变化，选择铸件凝固发生前熔体的冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈豫增，郑欢，杨鑫，赵宇宏，牛晓峰，崔晓鹏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：