magmasoft-鎂合金數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)與應(yīng)用設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文畢業(yè)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)畢業(yè)論文詳細(xì)資料聯(lián)系QQ號(hào)；1620812008-PAGEII--PAGEIII-MAGMASOFT鎂合金數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)與應(yīng)用摘要MAGMASOFT鑄造仿真軟件是全球最佳的大型鑄件鑄造模擬軟件工具，為鑄造業(yè)提供改善鑄品品質(zhì)，制程條件，降低成本，增加競(jìng)爭(zhēng)力的唯一選擇。鑄型的充填、凝固、機(jī)械性能、殘余應(yīng)力及扭曲變形等的模擬為全面最佳化鑄造工程提供了最可靠的保證。以往只有對(duì)鑄造工程參數(shù)及鑄造質(zhì)量的影響因素有透徹的了解，才能使鑄造工程師對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件擁有信心。傳統(tǒng)的方法對(duì)鑄造工程的最佳化工作既耗資又費(fèi)時(shí)，時(shí)程的壓力使得很多鑄造工程無法發(fā)揮全面的潛力。通過MAGMASOFT材料庫(kù)中鎂合金數(shù)值模擬界面對(duì)軟件的相關(guān)功能進(jìn)行了簡(jiǎn)介。通過建立鎂合金數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)鎂合金鑄件進(jìn)行鑄造數(shù)值模擬，熟悉MAGMASOFT軟件，掌握其應(yīng)用。數(shù)值模擬以及數(shù)據(jù)庫(kù)在產(chǎn)品研發(fā)過程中的重要作用，特別是對(duì)于新品研發(fā)過程中節(jié)約時(shí)間、優(yōu)化設(shè)計(jì)等的突出作用越來越明顯。借助計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品定型的相關(guān)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)加工模擬是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)縮短研發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)費(fèi)用的重要手段。而材料的相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行數(shù)值模擬的鑰匙。關(guān)鍵詞：MAGMASOFT、數(shù)值模擬、鎂合金、數(shù)據(jù)庫(kù)畢業(yè)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)畢業(yè)論文詳細(xì)資料聯(lián)系QQ號(hào)；1620812008TheDevelopmentandApplicationofMAGMASOFTInternalStandardMateriallibrary

AbstractMAGMASOFTcastingsimulationsoftwareistheworld'sbestsoftwaretoolsfordiecasting.Itistheonlychoiceofcastingforthefoundryindustrytoimproveproductquality,processconditions,reducecostsandincreasecompetitiveness.

Moldfilling,solidification,mechanicalproperties,residualstressanddistortionofthesimulatedcastingprojectforthecomprehensiveoptimizationprovidesthemostreliableguarantee.Previousworksonlyonthecastingparametersandthequalityofcastingathoroughunderstandingofthefactors,canproducehigh-qualityfoundrycastingengineershaveconfidence.Thetraditionalmethodofcastingengineeringworktooptimizebothcostandtime-consuming,time-pressuremakesalotofcastingprojectcannotplayfullpotential.BaseonthenumericalsimulationofmagnesiumalloyinterfacewithMAGMASOFTmateriallibrary,thesoftwarefunctionswererelatedtous.MagnesiumalloybycastingonNumericalSimulationoflearning,familiarMAGMASOFTsoftware,masteritsapplication.Numericalsimulationanddatabaseintheproductdevelopmentprocessanimportantrole,particularlyfornewproductsthatsavetime,optimizethedesignismoreandmoreprominent.Withthecompletionofproducttyperelatedtocomputerdesignandmanufacturingprocesssimulationistoshortenthedevelopmentcycleinindustrialproductionandanimportantmeansofsavingdevelopmentcosts.Keywords:MAGMASOFT；NumericalSimulation；MagnesiumAlloy；Database目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1課題背景 11.2鎂的性質(zhì)及用途 11.3國(guó)內(nèi)外鎂合金鑄造行業(yè)的概況 21.3.1國(guó)外鎂合金鑄造行業(yè)概況 21.3.2國(guó)內(nèi)鎂合金鑄造行業(yè)概況 31.4鎂合金制件的成形方法 41.4.1鑄造成形 41.4.2變形成形 51.5CAE技術(shù)在鑄造成形中的應(yīng)用 51.6課題內(nèi)容及意義 6第2章軟件介紹 72.1MAGMASOFT軟件介紹 72.2MAGMASOFT的實(shí)現(xiàn)過程 92.2.1MAGMASOFT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作流程 92.2.2模擬過程 92.2.3材料參數(shù) 122.2.4鑄造工藝參數(shù) 122.2.5物理常量參數(shù) 132.2.6各參數(shù)在鑄造模擬中的作用 132.2.7添加結(jié)果 132.3小結(jié) 13第3章MAGMASOFTAZ91數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介 143.1國(guó)外相關(guān)信息 153.2材料性能參數(shù) 153.2.1固相線溫度 153.2.2模擬初始溫度 153.2.3潛熱 153.2.4冒口材料填充率 173.2.5按照牛頓理論冷卻 173.3導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線 183.3.1導(dǎo)熱系數(shù) 183.3.2相關(guān)分析 193.4密度-溫度曲線 193.5比熱容-溫度曲線 203.6固相分?jǐn)?shù)-溫度曲線 223.7密度和比熱容-溫度曲線 233.8流動(dòng)性研究 243.9粘性系數(shù)-溫度曲線 243.10楊氏模量（彈性模數(shù)）-溫度曲線 263.11屈服強(qiáng)度-溫度曲線 273.11.1屈服強(qiáng)度 273.11.2工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn) 283.11.3影響屈服強(qiáng)度的因素 283.11.4屈服強(qiáng)度的工程意義 283.12泊松比-溫度曲線 293.13熱膨脹系數(shù)-溫度曲線 303.14硬化指數(shù)數(shù)-溫度曲線 313.15合金組成 323.16本章小結(jié) 33結(jié)論 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36附錄 38PAGEII---PAGE45-緒論課題背景隨著鑄造CAE技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，不少成熟的實(shí)用鑄造CAE軟件開發(fā)并推廣應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，如德國(guó)的MAGMASOFT、美國(guó)的ProCAST、韓國(guó)的ANYCAST以及國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)開發(fā)的華鑄CAE等。其中MAGMASOFT是德國(guó)MAG-MA公司開發(fā)研制的，是當(dāng)前世界上最佳的鑄造CAE軟件之一，它能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄件缺陷以及其處理結(jié)果的可視化，MAGMASOFT正成為越來越多的鑄造專業(yè)人員分析和優(yōu)化鑄件鑄造工藝的重要工具。但MAGMASOFT軟件自帶的材料庫(kù)采用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，而有些國(guó)內(nèi)牌號(hào)的材料沒有相應(yīng)的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，給模擬帶來麻煩和阻礙。鎂的性質(zhì)及用途鎂是結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，它的原子序數(shù)12、原子價(jià)+2、相對(duì)原子質(zhì)量24.3050，鎂的最高純度為99.98%時(shí)，動(dòng)態(tài)彈性模量為44GPa，靜態(tài)彈性模量為40GPa；293K鎂的純度為99.80%時(shí)，動(dòng)態(tài)彈性模量為45GPa，靜態(tài)彈性模量為43Gpa，隨著溫度的增加，鎂的彈性模量下降[1]。自從1808年金屬鎂被HmuphryeDvaye首次提純出來后人們一直沒有放棄對(duì)它的研究開發(fā)，到1886年金屬鎂終于進(jìn)入商業(yè)開發(fā)階段。當(dāng)人類歷史進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車的節(jié)能和尾氣排放提出了越來越嚴(yán)格的限制，為此世界各大汽車生產(chǎn)商與1993-1994年提出了“3L汽油轎車”的新概念[2]，這些要求迫使汽車制造商不得不采用新材料、新工藝和新技術(shù)，從而促進(jìn)了鎂產(chǎn)量的大幅度提高。金屬鎂是人類可以制得并在空氣中長(zhǎng)期存在的有實(shí)用價(jià)值的最輕的金屬，在工業(yè)上通常由電解法或硅還原法制得。近年來，節(jié)能、環(huán)保概念在世界范圍內(nèi)趨熱，鎂由于其重量輕等優(yōu)異性能，在汽車、航天、航空、鑄造、化工電子、通訊、儀器、機(jī)械制造、交通、蓄能材料、建筑裝飾、球墨鑄鐵、脫硫劑、格氏試劑、焰火、軍事照明彈及鎂陰極保護(hù)防蝕材料、鎂合金等產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用也迅猛發(fā)展[2]主要產(chǎn)品有：鎂型材、犧牲陽極、鎂錠、鎂合金、鎂型材以及鎂壓鑄件等等。國(guó)內(nèi)外鎂合金鑄造行業(yè)的概況鎂是1808年H.Davy發(fā)現(xiàn)的銀白色金屬，是地殼中儲(chǔ)量最豐富的元素之一，儲(chǔ)量在金屬之中居第八位[3]，鎂的室溫密度為1.74c/cm3，是實(shí)用金屬材料之中最輕的，約為鋁的2/3。鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、減震性和磁屏蔽性、易于二次使用和機(jī)械加工性好等優(yōu)點(diǎn)。鎂合金的強(qiáng)度接近鋁合金，其比強(qiáng)度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度則與鋁合金和鋼相當(dāng)。從1927年推出高強(qiáng)度MgAl9Znl開始，鎂合金的工業(yè)應(yīng)用獲得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。鎂合金壓鑄件在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊、電子、電動(dòng)工具、運(yùn)動(dòng)器具等領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。北美、歐洲和日本是鎂合金壓鑄件用量較多的國(guó)家和地區(qū)，其中80%鎂合金壓鑄件用于汽車生產(chǎn)。因此鎂合金的壓鑄工藝性能對(duì)其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用[4-6]。國(guó)外鎂合金鑄造行業(yè)概況鎂合金鑄造始于20世紀(jì)20年代中期的德國(guó)，在1927-1930年，鎂合金在一輛汽車的用量已達(dá)7.3kg，但由于鎂合金熔煉及生產(chǎn)工藝不成熟，致使鎂合金生產(chǎn)發(fā)展比較遲緩。1970年的石油危機(jī)使鎂合金在汽車工業(yè)中日益受到重視。到了20世紀(jì)80年代后，北美國(guó)家的一些汽車生產(chǎn)商為了減輕汽車的凈重量，達(dá)到平均燃油標(biāo)準(zhǔn)，用鎂合金生產(chǎn)離合器殼體、進(jìn)氣岐管等部件，取得了明顯的效果。1990年以來，世界各國(guó)政府高度重視鎂合金的研究與開發(fā)，美國(guó)、日本、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)家相繼出臺(tái)了自己的鎂合金研究計(jì)劃，把鎂合金列為21世紀(jì)研究與開發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目[7-9]。由于鎂合金在應(yīng)用中顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)，1996年美國(guó)政府能源部與通用、福特和克萊斯勒三大集團(tuán)簽署了一項(xiàng)名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計(jì)劃，該計(jì)劃的目的在于生產(chǎn)出符合市場(chǎng)要求的節(jié)能轎車，政府的這一行為極大地促進(jìn)了鎂合金鑄件的開發(fā)與應(yīng)用[10]。1995年前后，加拿大聯(lián)邦政府及魁貝克省與“Hydro”公司共同投資1140萬加元成立了一個(gè)新的鎂研究中心，其宗旨是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝和材質(zhì)，獲得具有優(yōu)良性能的鎂合金鑄零部件，從而進(jìn)一步拓展鎂合金的應(yīng)用[11]。與此同時(shí)，日本的三菱、豐田等汽車公司也都在大量使用和生產(chǎn)鎂合金鑄件，松下公司開發(fā)了鎂合金壓鑄新型電腦外殼，索尼公司用鎂合金壓鑄制造攝像機(jī)外殼[12]。德國(guó)1997年由德國(guó)科技教育部牽頭，聯(lián)合德國(guó)60余家企業(yè)、6所大學(xué)及研究所、投資3000萬馬克以解決鎂合金鑄造生產(chǎn)，以及鎂合金鑄造生產(chǎn)和加工中的各種關(guān)鍵技術(shù)難題，建立起一套完整的鎂合金鑄造及加工的工藝規(guī)范，并將鎂合金鑄造件應(yīng)用于汽車、計(jì)算機(jī)、航空航天、通訊、醫(yī)療、輕工等領(lǐng)域。該項(xiàng)目取得了豐碩成果，顯著促進(jìn)了鎂合金在德國(guó)及歐共體汽車工業(yè)的應(yīng)用。2004年6月，德國(guó)寶馬開發(fā)出采用鎂合金的直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸箱內(nèi)部采用鋁合金，而外部則采用鎂合金[13-14]。目前在美國(guó)和歐洲正在使用或正處于研制的鎂基合金壓鑄的汽車零件至少超過60種，如汽車儀表盤、進(jìn)氣歧管、汽車座架、輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)和安全部件等。信息產(chǎn)業(yè)也在積極開發(fā)鎂合金鑄造件，尤其是隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，電子元器件趨向于高度集成化、輕薄化和微型化，鎂合金是電子產(chǎn)品的最佳殼體材料，如手機(jī)外殼、筆記本電腦殼體、數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝錄像機(jī)殼體等[8]。國(guó)際鎂協(xié)提供的資料表明，從1991到2008年間，全世界對(duì)鎂的需求量將成倍增長(zhǎng)。1991年世界鎂鑄造件用量為2.4萬噸，而1997年高達(dá)6.4萬噸。預(yù)計(jì)2000-2010年間全球鑄造鎂的用量以年平均15%的速率增長(zhǎng)，北美達(dá)30%，歐洲高達(dá)60%[15]。國(guó)內(nèi)鎂合金鑄造行業(yè)概況我國(guó)擁有豐富的鎂資源，1958年在東北生產(chǎn)出第一塊合格的變形鎂合金鑄錠，現(xiàn)在己經(jīng)成為原鎂生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，2000年全國(guó)產(chǎn)量約20萬噸，80%以上作為初級(jí)原料低價(jià)出口，國(guó)內(nèi)消費(fèi)2萬噸左右[16]。我國(guó)鎂合金鑄造起始于20世紀(jì)60年代末和70年代初。當(dāng)時(shí)從事鎂合金鑄造研究的單位僅有西北林業(yè)機(jī)械廠、西北工業(yè)大學(xué)、秦嶺機(jī)電公司和上海航海儀表廠等單位。上海航海儀表廠生產(chǎn)出了船用陀螺儀表殼體零件。西北林業(yè)機(jī)械廠與西北工業(yè)大學(xué)、秦嶺機(jī)電公司合作，成功生產(chǎn)出了各種林業(yè)機(jī)械用鎂合金壓鑄件19個(gè)零件號(hào)，并制訂出了鎂合金熔煉、保護(hù)、鑄造工藝、鑄件表面保護(hù)工藝等一系列工藝文件。改革開放后，隨著我國(guó)汽車工業(yè)、電子通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)鎂合金鑄造件的需求與日俱增，目前全國(guó)已有一些工廠從事鎂合金壓鑄件生產(chǎn)和研究。但是無論以噸數(shù)或以百分?jǐn)?shù)計(jì)算，規(guī)模都很小，而且鎂合金鑄造業(yè)小而分散，主要分布在上海、陜西、南京、珠江三角洲等地。主要有上海乾通汽車附件制造有限公司生產(chǎn)桑塔納轎車變速箱殼體(年消耗2000噸)，鎂合金用量?jī)H占2000年全國(guó)原鎂產(chǎn)量(20萬噸)的1%；南京華宏（集團(tuán)）有限公司鑄造廠在生產(chǎn)微型汽車鎂合金變速箱鑄造件；貴州息烽鑄造件廠、深圳、東莞等數(shù)家工廠在生產(chǎn)筆記本電腦外殼、手機(jī)外殼鎂合金鑄造件等[17-18]?！笆濉逼陂g，國(guó)家啟動(dòng)了“鎂合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”的攻關(guān)項(xiàng)目，集國(guó)內(nèi)鎂合金研究基礎(chǔ)較好的院所(如:北京有色金屬研究總院、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué))、鎂合金生產(chǎn)應(yīng)用企業(yè)(如：長(zhǎng)安、隆鑫、重慶鎂業(yè)、一汽、二汽、成都發(fā)動(dòng)機(jī)公司、海爾、海信等)、地方政府(如：重慶、青海、寧夏、青島、深圳等)，以產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合的形式，推動(dòng)我國(guó)鎂合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化健康有序的發(fā)展，以期在三年內(nèi)，完成常規(guī)鎂合金應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)、推廣應(yīng)用。目前，參與該項(xiàng)目的相關(guān)院校、研究所和企業(yè)研發(fā)人員達(dá)500余人，各課題的主要負(fù)責(zé)人有長(zhǎng)期在國(guó)內(nèi)從事鋁、鎂等輕金屬材料的研究工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，也有曾長(zhǎng)期在國(guó)外從事鎂合金研究工作，掌握了國(guó)外鎂合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)[3,16,18]。據(jù)專家預(yù)測(cè)[19]，我國(guó)鎂合金零部件在汽車上的應(yīng)用量以年15％的速度增長(zhǎng)。我國(guó)加入WT0后，充分利用我國(guó)制造業(yè)基礎(chǔ)雄厚、勞動(dòng)力價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)，將我國(guó)的鎂資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為鎂產(chǎn)品、鎂技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)制造業(yè)利用汽車等零部件全球采購(gòu)的渠道進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的機(jī)遇。因此，國(guó)內(nèi)國(guó)際汽車零部件市場(chǎng)為我國(guó)鎂合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化事業(yè)提供了巨大的發(fā)展空間。鎂合金制件的成形方法鎂合金制件的成形方法分為鑄造和變形兩類。鑄造成形鑄造成形可采用重力澆注、低壓鑄造和壓鑄法，近年來又出現(xiàn)觸變注射成形新技術(shù)。其中以壓鑄的工藝和設(shè)備最為成熟，目前國(guó)內(nèi)外的鎂合金制件絕大多數(shù)用壓鑄法生產(chǎn)。為了提高壓鑄件的質(zhì)量，擴(kuò)大壓鑄件的使用范圍，近年來研究開發(fā)了一些新的鑄造技術(shù)，如真空壓鑄，半固態(tài)觸變壓鑄技術(shù)等。1.由于鎂合金熔體易氧化以致燃燒，鑄造時(shí)熱裂傾向比鋁合金大，因此鎂合金在熔化、澆注和鑄造熔體的溫度控制等方面都比鋁合金鑄造要復(fù)雜。壓鑄機(jī)分熱室壓鑄機(jī)與冷室壓鑄機(jī)。熱室壓鑄機(jī)的生產(chǎn)效率高，約為同容量冷室壓鑄機(jī)的2倍，通常用于質(zhì)量不大(一般在2kg以下)的薄壁鑄件。冷室壓鑄機(jī)適于生產(chǎn)壁厚和質(zhì)量較大的制件，如汽車座椅、框架、汽車輪轂等產(chǎn)品[3]。2.真空鑄造是在壓鑄過程中抽出型腔內(nèi)的氣體，以減少或消除在壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解于合金中的氣體，提高鑄造件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。真空鑄造鎂合金件的最小壁厚為1.5～2.0mm，鑄件強(qiáng)度可提高10%以上，韌性提高20%～50%，目前已成功地用真空壓鑄法生產(chǎn)出鎂合金汽車輪轂和方向盤等一批主要汽車零件[13]。3.半固態(tài)觸變鑄造技術(shù)[18-19]：觸變注射成形的工藝過程接近于注塑成形。其原理是首先將鎂合金錠加工切制成細(xì)顆粒狀，將此種鎂合金顆粒裝入料斗，強(qiáng)制輸送到粒筒中，粒筒中旋轉(zhuǎn)的螺桿驅(qū)使鎂合金顆粒向模具方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其到達(dá)粒筒的加熱部位時(shí)，合金顆粒呈部分熔融狀態(tài)，在螺旋體的剪切作用下，具有枝晶組織的合金料形成了具有觸變結(jié)構(gòu)的半固態(tài)合金，當(dāng)其累積到一定體時(shí)，被高速注射到抽成真空的預(yù)熱型腔中成形。與傳統(tǒng)的鑄造相比，觸變注射成形無需金屬熔化和澆注等工序，生產(chǎn)過程較為清潔、安全和節(jié)能。單位成形件的原材料損耗大為減少，無爆炸危險(xiǎn)，無需SF6氣體保護(hù)，成形過程中卷入的氣體大幅度減少，因此成形件可以熱處理，成形件致密度高，力學(xué)性能好，耐蝕能力強(qiáng)。但其工藝還不是很成熟。變形成形目前鑄造鎂合金產(chǎn)品用量大于變形產(chǎn)品，但經(jīng)過鍛造、擠壓或軋制等工藝生產(chǎn)出的變形鎂合金產(chǎn)品具有更高的強(qiáng)度和更好的延展性，具有鑄造鎂合金產(chǎn)品無法取代的優(yōu)良性能。鎂合金可以用軋制、擠壓、沖壓、熱鍛和超塑性成形等方式進(jìn)行加工[14-15]。1.軋制，鎂合金在室溫下塑性很低，軋制加工比較困難，因此最好用熱軋與溫軋。2.擠壓，目前鎂合金管、棒、型材主要采用擠壓方法加工成形。薄壁鎂合金管件，由于其截面面積減小，因此可顯著減輕質(zhì)量。3.沖壓，鎂合金在常溫下不宜沖壓，一般沖壓溫度必須在150℃以上。4.等溫鍛造，鎂合金在常溫下鍛造容易脆裂，鍛造溫度須在200～400℃之間。但鎂合金在高溫下，尤其在超過400℃時(shí)產(chǎn)生腐蝕性氧化及晶粒粗大，鍛造溫度范圍較窄。因此鎂合金較難鍛造，而適合于采用等溫鍛造。我國(guó)已用等溫鍛造工藝成功地成形了飛機(jī)上的形狀復(fù)雜的鎂合金機(jī)匣。5.超塑成形，鎂合金塑性較低，用常規(guī)變形方法加工較難，近年來美國(guó)和日本等國(guó)專家對(duì)鎂合金的超塑成形技術(shù)進(jìn)行了研究。研究表明，很多變形鎂合金在一定的條件下具有超塑性，可以一次成形復(fù)雜的零件。CAE技術(shù)在鑄造成形中的應(yīng)用壓鑄模CAE作為計(jì)算機(jī)在模具行業(yè)的一項(xiàng)新型應(yīng)用技術(shù)，除了具有本身固有的特性和內(nèi)容外，還將補(bǔ)充和完善現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)的功能。它的興起預(yù)示著計(jì)算機(jī)技術(shù)在模具上的應(yīng)用朝著集成化的方向發(fā)展。鑄造模CAE和CAD緊密相聯(lián)，CAE利用CAD計(jì)算得到的型腔數(shù)據(jù)和模具結(jié)構(gòu)，結(jié)合壓鑄機(jī)參數(shù)、壓鑄工藝參數(shù)、壓鑄材料和模具材料的性能指標(biāo)等進(jìn)行分析計(jì)算，得到的分析結(jié)果又反過來指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員修改設(shè)計(jì)方案，直至合理利用這項(xiàng)技術(shù)[16-22]。通過模擬分析，可動(dòng)態(tài)觀察金屬?gòu)拈_始澆注到最終凝固的整個(gè)過程，并可精確預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的各種缺陷，這樣在設(shè)計(jì)階段就盡可能地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足之處，然后進(jìn)行修改，從而避免傳統(tǒng)的因“設(shè)計(jì)-試模-修改-試?！倍鴮?dǎo)致設(shè)計(jì)周期過長(zhǎng)以及試模成本過高的弊端，為企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、贏得市場(chǎng)空間提供保障[27-28]。鑄造模CAE目前主要以鑄造件充型的流場(chǎng)數(shù)值模擬、鑄造模鑄造件溫度場(chǎng)模擬、鑄造模鑄造件應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬為主[16.26]。一些商業(yè)三維數(shù)值模擬軟件如：MAGMASOFT、Procast、Simular、Soldia等已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)。應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬主要著眼于研究熱疲勞對(duì)模具壽命的影響以及鑄件的變形等問題[24]。溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬軟件主要有EKK、Flow-3D、MAGMASOFT、Procast等。算法主要有FEM和FDM，也有邊界元算法(BEM)。型腔充填過程的研究開始較晚，是當(dāng)前鑄造數(shù)值模擬的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。L.H.Kallien利用K-ε雙方程模型將紊流的作用結(jié)合到MAGMASOFT軟件中，對(duì)一個(gè)具有澆不足缺陷的鎖蓋鑄造件進(jìn)行了充型過程的模擬分析[24]。但由于鑄造充型在高壓高速條件下進(jìn)行，是屬于非充分發(fā)展的紊流流動(dòng)，給數(shù)值模擬帶來很大的困難。目前的研究正著眼于改進(jìn)和完善數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法，使得充型模擬更能接近于實(shí)際充型情況[25]。在國(guó)內(nèi)，沈陽鑄造研究所和香港理工學(xué)院模擬研究了澆口位置對(duì)金屬液充型過程的影響。結(jié)果表明鑄造澆道設(shè)置主導(dǎo)充型模式，在給定設(shè)置中扇形澆道顯示出良好的充填特性，其模擬結(jié)果和水力試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。課題內(nèi)容及意義由于國(guó)外鑄造CAE軟件所使用的材料數(shù)據(jù)庫(kù)都不是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，而且國(guó)內(nèi)外的鑄造CAE軟件的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料都是有限的，對(duì)非標(biāo)材料和新材料的模擬不能順利進(jìn)行。比如MAGMASOFT帶有比較強(qiáng)大的材料類型及其相對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)及相應(yīng)機(jī)械性能參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，但是由于MAGMASOFT材料的數(shù)據(jù)庫(kù)所使用的是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)用戶進(jìn)行模擬時(shí)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化對(duì)照，有的國(guó)內(nèi)沒有其相應(yīng)的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，給國(guó)內(nèi)用戶進(jìn)行生產(chǎn)模擬帶來麻煩和阻礙。因此迫切需要對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的材料庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，對(duì)非標(biāo)材料和新開發(fā)材料的模擬進(jìn)行研究，確定行之有效的方法使對(duì)各種材料的鑄造過程都能進(jìn)行順利地?cái)?shù)值模擬。本文是在MAGMASOFT中進(jìn)行鎂合金材料數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)的，但是所開發(fā)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)材料數(shù)據(jù)庫(kù)同樣適用其他的鑄造CAE軟件，所研究的確定材料參數(shù)的方法同樣可以應(yīng)用于工程合金的鑄造研究中。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)鎂合金材料數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)鑄造CAE軟件對(duì)國(guó)內(nèi)鎂合金材材料和非標(biāo)及新開發(fā)材料的鑄造過程順利進(jìn)行CAE模擬，達(dá)到使用軟件更好服務(wù)于生產(chǎn)的目的。軟件介紹MAGMASOFT軟件介紹MAGMASOFT鑄造仿真軟件是全球最佳的鑄造軟件工具之一，為鑄造業(yè)改善鑄件品質(zhì)、制程條件、降低成本、增加競(jìng)爭(zhēng)力提供了最優(yōu)選擇。MAGMASOFT是為鑄造專業(yè)人員實(shí)現(xiàn)改善鑄件質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)而提供的有力工具，它運(yùn)用仿真?zhèn)鳠峒傲黧w的物理行為，凝固過程中的應(yīng)力及應(yīng)變，微觀組織的形成，MAGMASOFT得以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄件缺陷，改善現(xiàn)有工藝的不足，提高鑄件質(zhì)量。鑄件的質(zhì)量受眾多因素影響，而質(zhì)量的保證必須依靠正確的鑄造工藝方案。MAGMASOFT就是設(shè)計(jì)用以支持從熔煉冶金，造型及鑄型制作，澆注過程一直到熱處理，爐子材料及修補(bǔ)，整體且全面的工藝優(yōu)化工具。MAGMASOFT適用于所有鑄造合金材料的鑄造生產(chǎn)，范圍白灰鐵鑄造，鋁合金砂型鑄造，到大型鑄鋼件鑄造?？蓱?yīng)用于：鑄造部件設(shè)計(jì)的開發(fā)、最佳化生產(chǎn)制程、新模具的生產(chǎn)、現(xiàn)有模具及鑄型的更新、質(zhì)量控制及完善工程檔案。MAGMASOFT鑄造仿真軟件為鑄造業(yè)提供改善鑄件品質(zhì)，制程條件，降低成本，增加競(jìng)爭(zhēng)力提供了較好的選擇。2.1.1主要包括幾何實(shí)體建模、CAD模型、導(dǎo)入接口和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化分的前處理模塊、用于輸入工藝參數(shù)和執(zhí)行運(yùn)算的模擬分析模塊、用于輸入工藝參數(shù)和執(zhí)行運(yùn)算的模擬分析模塊、用于模擬結(jié)果三維可視化，動(dòng)畫演示和評(píng)價(jià)的后處理模塊。其可以進(jìn)行多個(gè)模具型腔的模具模型設(shè)計(jì)、一些標(biāo)準(zhǔn)件可保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以隨時(shí)調(diào)用。CAD模型導(dǎo)入接口模塊，可以將在不同CAD軟件內(nèi)建立的幾何模型導(dǎo)入前處理器中MAGMAmesh模塊能夠在幾分鐘內(nèi)將幾何模型自動(dòng)劃分為合適的網(wǎng)格，網(wǎng)格的尺寸和精度可根據(jù)用戶定義的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。金屬流動(dòng)模塊MAGMAfill能夠模擬各種鑄造工藝中的金屬液的充型過程，其模擬結(jié)果包括：金屬液的流動(dòng)方式，金屬液在型腔內(nèi)的流動(dòng)速度，充型過程中的溫度分布和傳熱情況。充型過程中可能出現(xiàn)的冷隔、澆不足、沖砂、卷氣和夾雜等缺陷。實(shí)現(xiàn)幫助工程技術(shù)人員優(yōu)化澆注系統(tǒng)、預(yù)測(cè)由于高速金屬液沖刷而造成的沖砂缺陷。根據(jù)澆注系統(tǒng)、澆注速度或澆包底部的壓力確定澆注時(shí)間，優(yōu)化壓力鑄造中溢流槽的位置考察因紊流導(dǎo)致的夾雜或卷氣傾向。過濾片的正常使用等工程技術(shù)問題。傳熱和凝固模塊MAGMAsilid模塊是求解鑄造凝固和冷卻過程的強(qiáng)有力工具該模塊考慮了液態(tài)和鑄態(tài)的收縮效果和縮孔縮松的形成，其主要提供一下信息，凝固方式和補(bǔ)縮通道，鑄件各處的凝固時(shí)間，鑄件中的關(guān)鍵位置溫度梯度和冷卻速度，模具和型心的熱載荷，鑄件、模具或鑄型內(nèi)任意位置點(diǎn)的冷卻曲線。其有助于幫助于鑄造技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：1．優(yōu)化鑄造工藝和模具設(shè)計(jì)；2．優(yōu)化冒口位置以提高補(bǔ)縮效率并降低冒口數(shù)目和尺寸；3．提高冷鐵效率、降低冷鐵數(shù)量；4．深入了解工藝過程，例如，取出鑄件的最佳時(shí)間、模具是否需要冷卻、冷鐵的效果、型心受到的熱沖擊等；5．定量分析鑄鐵各部位的熱模數(shù)以確定冒口位置、尺寸和數(shù)量；6．考察消除縮松縮孔的鑄造工藝。2.1.2.應(yīng)力模塊鑄造過程中由于不均勻的溫度分布導(dǎo)致鑄件和模具產(chǎn)生應(yīng)力和變形。MAGMAstress應(yīng)力模塊能夠預(yù)測(cè)鑄件在凝固和冷卻過程中的應(yīng)力場(chǎng)分布和相應(yīng)的應(yīng)變和變形。而且，能夠預(yù)測(cè)金屬鑄型中的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。MAGMAstress應(yīng)力分析模塊利用MAGMASOFT標(biāo)準(zhǔn)模塊求解的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。MAGMAstress應(yīng)力模塊完全集成在MAGMASOFT軟件中。其主要考察鑄件、模具與溫度相關(guān)的非線性材料特性，尤其是彈性模量、屈服應(yīng)力、泊松比；熱膨脹系數(shù)、材料的加工硬化。MAGMAstress應(yīng)力模塊能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：1．優(yōu)化鑄件在室溫時(shí)的殘余應(yīng)力分布；2．使鑄件產(chǎn)生的變形和收縮最??；3．防止冷裂；4．預(yù)測(cè)鑄件在凝固和冷卻過程中由于冷卻的條件不同而引起應(yīng)力應(yīng)變；5．預(yù)測(cè)易產(chǎn)生熱裂的敏感位置；6．預(yù)測(cè)金屬鑄型中的裂紋傾向；7．更好的了解應(yīng)力的形成機(jī)理以提高模具壽命。2.1.3MAGMASOFT后處理器三維可視化圖形顯示與運(yùn)算結(jié)果評(píng)估MAGMASOFT三維后處理器允許用戶在真實(shí)幾何模型上從任一方向上查看模擬結(jié)果，并且可以對(duì)幾何模型進(jìn)行剖分以查看斷面的模擬結(jié)果，并且可以查看工藝過程中任意時(shí)刻鑄件和鑄型的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)。鑄件的縮孔縮松水平，金屬液的充型方式和傳熱歷史都能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行描述，并且以X．ray透視的方式動(dòng)畫顯示模擬結(jié)果。各種判據(jù)有助于用戶將充型和凝固的綜合信息歸納到一張圖片內(nèi)。MAGMASOFT的實(shí)現(xiàn)過程首先將PRO／E中所有文件都需要轉(zhuǎn)化成STL文件，而且鑄件，冒口，澆注系統(tǒng)，冷鐵都需要割離開來，每一部分都作為獨(dú)立的文件；簡(jiǎn)單件可以直接在MAGMASOFT中生成。文件輸出時(shí)要注意坐標(biāo)系的選擇，也可重新繪制坐標(biāo)系，以確其Z軸朝上。以上的設(shè)置均因?yàn)镸AGMASOFT中的特殊要求，來保證和MAGMASOFT中坐標(biāo)系吻合最終能夠成功被MAGMASOFT讀取。MAGMASOFT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作流程MAGMASOFT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2-1：實(shí)體實(shí)體造型網(wǎng)格劃分流、溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果顯示凝固過程計(jì)算圖2-1MAGMASOFT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)MAGMASOFT的流程主要包括：1．ProjectManagement(工程管理)。存取鑄件及模具的幾何形狀、性質(zhì)、鑄造條件的數(shù)據(jù)供調(diào)用，管理統(tǒng)一作業(yè)中不同的修訂結(jié)果，以便反復(fù)比較優(yōu)化工藝已模具設(shè)計(jì)。2．Preprocessor(前處理)。簡(jiǎn)便快速輸入鑄件或模具的幾何形狀，進(jìn)行網(wǎng)格剖分，也可用接口軟件直接輸入其它外部CAD軟件生成的幾何形狀數(shù)據(jù)并加以利用。此過程包含了網(wǎng)格剖分(Enmeshment)。3．Simulation(模擬)。研究充填順序、流動(dòng)模式、鑄件凝固時(shí)間溫度梯度等數(shù)據(jù)，幫助優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化鑄造工藝。4．Postprocessor(后處理)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，直接考察鑄件關(guān)鍵區(qū)域的情況，隨時(shí)觀察鑄件和模具的溫度，通過X-ray、切片等輔助手段，精確顯示氣孔所在，動(dòng)畫顯示充填及凝固過程。5．Info(信息)。記錄保存計(jì)算過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為分析結(jié)果，優(yōu)化工藝提供數(shù)據(jù)依據(jù)。模擬過程前處理在Project中新建一個(gè)文件名，指定其路徑，以便查找生成的文件。在此文件名下進(jìn)入Preprocessor，這是模擬過程中的一個(gè)主要工作區(qū)。讀入轉(zhuǎn)化成“STL”格式的文件。應(yīng)注意的是MAGMASOFT中把材料分為Sand(砂型)、Core(砂芯)、Casting(鑄件)、Feeder(冒口)、Gating(澆注系統(tǒng))、Inlet(澆口通道)、Cooling(冷鐵)、Insulator(保溫材料)等，所列舉的是常用的鑄造工藝所包含的內(nèi)容。要求處理時(shí)應(yīng)分別讀取每一部分圖象特征，該特征會(huì)被MAGMASOFT用不同顏色標(biāo)記。當(dāng)模型讀入后可以設(shè)置Tracer示蹤粒子，跟蹤充型、凝固過程中液體的流動(dòng)特征。網(wǎng)格劃分設(shè)計(jì)好模型后采用有限差分法對(duì)鑄件模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，完成鑄造分析模型的幾何近似和模型化。網(wǎng)格劃分的越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確。雖然細(xì)化網(wǎng)格有助于計(jì)算結(jié)果的精確性，但是也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。所以網(wǎng)格劃分要根據(jù)分析的目的來確定。網(wǎng)格劃分有自動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)、高級(jí)、高級(jí)2四種模式。一般零件的粗略模擬可采用自動(dòng)，用做特殊的分析可人為設(shè)定，影響網(wǎng)格生成的因素有以下幾個(gè)：1．壁厚：壁厚參數(shù)按照X、Y、Z三個(gè)方向設(shè)定，它限制了網(wǎng)格發(fā)生器取點(diǎn)的單元尺度，缺省值為5毫米。如果壁厚設(shè)定值大于實(shí)際壁厚，那么這個(gè)部位就無法被捕捉，造成模型失真。2．精度：這個(gè)參數(shù)規(guī)定每個(gè)網(wǎng)格可以進(jìn)一步劃分的子網(wǎng)格數(shù)，缺省值為3。3．單元尺寸：這個(gè)參數(shù)規(guī)定最小網(wǎng)格的極限尺寸，單元尺寸的優(yōu)先權(quán)比精度高，當(dāng)單元尺寸大于網(wǎng)格繼續(xù)劃分的尺寸時(shí)精度就不起作用，缺省值為5毫米。4．光滑度：光滑度表示相鄰網(wǎng)格長(zhǎng)度的最大比值。如果實(shí)際長(zhǎng)度比值超過了光順度，那么體積大的網(wǎng)格就會(huì)被進(jìn)一步劃分，缺省值為2。5．比率：比率表示網(wǎng)格長(zhǎng)與寬的最大比值，大于此值的網(wǎng)格就會(huì)被繼續(xù)劃分，缺省值為5毫米。網(wǎng)格劃分后的模型應(yīng)盡量與實(shí)際模型相符，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分的前提就是壁厚參數(shù)小于鑄件的最小壁厚。同時(shí)根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的不同要求設(shè)置不同的網(wǎng)格密度。在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。模擬參數(shù)的設(shè)定網(wǎng)格劃分完成后進(jìn)行模擬參數(shù)的設(shè)定。首先選擇鑄模的種類，分永久模和砂模。接著設(shè)定所要模擬的內(nèi)容，充型、凝固、應(yīng)力的模擬可根據(jù)具體零件確定。1．材料定義需設(shè)計(jì)鑄件、冒口、澆注系統(tǒng)等各部分所用的材料、澆注溫度、液相臨界溫度、固相臨界溫度。2．熱物性參數(shù)。熱傳系數(shù)是用來描述一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)在界面處的傳熱量，例如從鑄件到砂模。所要設(shè)定的就是鑄件與鑄模、保溫材料、冷鐵，鑄模與保溫材料、冷鐵，砂芯與鑄模，保溫材料的熱傳系數(shù)。熱傳系數(shù)可以根據(jù)材料性質(zhì)查到，對(duì)于特殊情況可能需要鑄造廠方單獨(dú)測(cè)定。3．充型、凝固定義。充型可選擇由壓力、澆注速度、時(shí)間來限定再確定相應(yīng)的充型時(shí)間、方向，設(shè)置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，即要規(guī)定出數(shù)據(jù)記錄的范圍和記錄數(shù)據(jù)的間隔。凝固定義包含是否對(duì)補(bǔ)縮進(jìn)行計(jì)算，以及補(bǔ)縮率的確定；補(bǔ)縮率越大，所需補(bǔ)縮時(shí)間越長(zhǎng)。臨界溫度1與臨界溫度2的設(shè)定，1代表固相溫度加固液溫度區(qū)間的10％的溫度值，2表示液相溫度加上2℃的值。這樣1與2之間的溫度就可以確保金屬液在固液相區(qū)，是凝固過程的模擬。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與充型定義相同。結(jié)果顯示在后處理中選擇幾何操作，可以看到模擬的結(jié)果。首先需要對(duì)要顯示的部件加以選擇，而后就會(huì)出現(xiàn)模擬后的實(shí)體。可以對(duì)鑄件進(jìn)行X射線分析，從x、Y、Z三個(gè)方向切割鑄件，觀察內(nèi)部充型、凝固過程及缺陷可能產(chǎn)生的位置。結(jié)果顯示中包括充型過程中的壓力、速度、溫度、示蹤粒子；凝固過程中鑄件的固、液相分?jǐn)?shù)、溫度及其判據(jù)。模擬結(jié)果中的Niyama判據(jù)評(píng)價(jià)了流動(dòng)阻力對(duì)縮松產(chǎn)生的影響，適用于縮松缺陷判定，是一種綜合性的預(yù)測(cè)方法。E．Nivama提出的法即Niyama判據(jù)，它表示溫度梯度與冷卻速率之間的關(guān)系。計(jì)算公式如下：(2-1)其中，Niyama為無量綱量，G為溫度梯度，R為冷卻速度。眾所周知，金屬凝固時(shí)，液態(tài)收縮和液一固相線之間的體積收縮即凝固收縮是形成縮孔及縮松的主要原因。當(dāng)補(bǔ)縮通道流暢、枝晶沒有形成骨架時(shí)，體積收縮表現(xiàn)為集中縮孔(一次或二次)，且位于鑄件可流動(dòng)單元的上部；而當(dāng)枝晶形成骨架、宏觀補(bǔ)縮通道被堵塞時(shí)，被枝晶分割包圍的液體部分的體積收縮表現(xiàn)為縮松(枝晶范圍內(nèi))。固態(tài)收縮對(duì)縮孔、縮松的形成影響不大，因此可不考慮固態(tài)收縮。隨著凝固的進(jìn)行，單元固相分?jǐn)?shù)不斷增加，液相分?jǐn)?shù)不斷減少，當(dāng)單元固相率大于臨界流動(dòng)固相率時(shí)，該單元便成為不可流動(dòng)單元，因此就不能參與宏觀補(bǔ)縮。因此每進(jìn)行一步計(jì)算都應(yīng)判斷哪些單元是可流動(dòng)單元，哪些是不可流動(dòng)單元，然后從頂向下減去流動(dòng)單元，使流動(dòng)單元減少數(shù)等于縮孔單元的增加數(shù)，所有縮孔單元的集合就成為一次或二次縮孔，而單元坐標(biāo)則反映了縮孔的位置。當(dāng)枝晶凝固形成骨架時(shí)，被枝晶包圍的液體體積收縮將形成縮松，對(duì)于縮松出現(xiàn)部位，可用新山英輔提出的判據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)單元的值小于某一臨界值時(shí)，該單元便是可能出現(xiàn)縮松的單元。所有可能出現(xiàn)縮松的單元的集合就表示了縮松的分布范圍。對(duì)三維溫度場(chǎng)來說，需計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰26個(gè)單元的G、R值，取最大者代表枝晶間補(bǔ)縮能力。當(dāng)小于某一臨界值時(shí)單元出現(xiàn)縮松，否則不出現(xiàn)。這個(gè)臨界值與鑄件大小有關(guān)，新山英輔認(rèn)為臨界值為1.0，但李文珍等研究發(fā)現(xiàn)，值與鑄件的大小有關(guān)，其臨界值為0.8～1.20，大件取上限，小件取下限。Porosity判據(jù)是對(duì)鑄件縮孔加以判斷的有效途徑。通過凝固模擬來計(jì)算此過程結(jié)束后的縮孔率。將Niyama判據(jù)和Porosity判據(jù)一同使用可以有效的預(yù)測(cè)鑄件中的縮孔、縮松，為優(yōu)化鑄造工藝、降低鑄件廢品率提供了可靠的保證。Fstime判據(jù)表示鑄件每個(gè)區(qū)域達(dá)到所給的補(bǔ)縮率所耗費(fèi)的時(shí)間，以此來判斷收縮產(chǎn)生的原因及解決方法。Hotspot判據(jù)顯示的是凝固過程中何時(shí)會(huì)形成熱節(jié)，單位是時(shí)間(s)，描述了可能產(chǎn)生縮松的區(qū)域。材料參數(shù)材料的參數(shù)是根據(jù)所添加材料相對(duì)應(yīng)確定添加的，材料的相應(yīng)參數(shù)決定對(duì)該材料的鑄件進(jìn)行模擬的準(zhǔn)確性和精確度。(a)化學(xué)成分：指材料的化學(xué)組成成分，是常數(shù)。化學(xué)成分是一種材料和其他材料參數(shù)的決定性因素。一旦化學(xué)成分確定其熱物性參數(shù)就確定下來。(b)機(jī)械性能參數(shù)：包括材料的強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、泊松比和楊氏模量等。(c)熱物性參數(shù)：熱過程是物質(zhì)世界普遍存在的一種物理過程，與這種過程相聯(lián)系時(shí)至與材料外部作用，必然引起材料的某種反應(yīng)或變化，這就是材料的熱物理性能。熱物性參數(shù)：熱物性參數(shù)包括密度、熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)叵禂?shù)a、比熱容Cp、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)a、另外還有熔點(diǎn)、密度、粘度、熱發(fā)射率、熱吸收率、熱反射率、溶質(zhì)分配系數(shù)等。密度：是材料每單位體積質(zhì)量。=m/v比熱容Cp：指物體每上升(降低)一度吸收(放出)的熱量。C=dQ/m×dt）導(dǎo)熱系數(shù)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過熱流垂直的單位面積的熱量成為熱流密度，即為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，是指材料傳遞熱量的能力。熱擴(kuò)散率a：導(dǎo)溫系數(shù)，是表征非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中溫度變化快慢的物理量。鑄造的充型、凝固、及鑄后熱處理過程都是熱能的吸收、釋放和轉(zhuǎn)移過程。因此熱物性參數(shù)是鑄造CAE的數(shù)值模擬運(yùn)算過程中的依賴性參數(shù)，不完全不準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)都會(huì)使數(shù)值模擬過程出現(xiàn)偏差或者無法進(jìn)行。鑄造工藝參數(shù)鑄造工藝參數(shù)是指實(shí)際的鑄造過程中控制鑄造工藝的具體參數(shù)，包括金屬的冶煉溫度、出爐溫度、澆注溫度、澆注時(shí)間等。它不是固定的，但是可以通過鑄造CAE來對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。物理常量參數(shù)包括材料的固相線溫度、液相線溫度、潛熱、補(bǔ)縮率等。也是隨材料的確定而確定，不隨溫度的變化，開發(fā)中一次性添加備用。第三章中會(huì)詳細(xì)介紹各參數(shù)之間的關(guān)系，軟件中提供的關(guān)系曲線和簡(jiǎn)單分析。各參數(shù)在鑄造模擬中的作用MAGMASOFT軟件可以對(duì)鑄件進(jìn)行如下的計(jì)算分析1．重量計(jì)算——估價(jià)精度的提高鑄件厚壁處的顯示2．充型計(jì)算——預(yù)測(cè)流動(dòng)缺陷(充填不良，冷隔缺陷，夾雜缺陷)3．凝固計(jì)算——預(yù)測(cè)凝固缺陷(縮孔、熱裂及鑄型溫度等分析)4．熱應(yīng)力計(jì)算——預(yù)測(cè)熱應(yīng)變?nèi)毕?變形，裂紋，收縮)5．熱處理的計(jì)算——預(yù)測(cè)鑄后熱處理所得組織和機(jī)械性能另外MAGMASOFT軟件還可以進(jìn)行澆注系統(tǒng)和冒口的通暢情況和補(bǔ)縮通道的閉合時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。可以記錄各時(shí)刻的固液相比例等。MAGMASOFT是對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)、相場(chǎng)三場(chǎng)模擬的耦合，模型中涉及到的熱物理性質(zhì)眾多，其對(duì)模型計(jì)算精度的影響效果各不相同，通過模型分析表明，對(duì)能量傳輸模型計(jì)算精度影響最大的兩個(gè)熱物理性質(zhì)為密度和導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)溶質(zhì)傳輸模型計(jì)算精度影響最大的熱物理性質(zhì)，為溶質(zhì)分配系數(shù)k。熱物性參數(shù)對(duì)鑄造的充型凝固過程起決定性作用，對(duì)應(yīng)力的模擬計(jì)算則影響不大；機(jī)械性能參數(shù)對(duì)應(yīng)力的計(jì)算起著重要影響作用；熱處理的計(jì)算是熱物性參數(shù)和機(jī)械性能參數(shù)以及物理常量參數(shù)的共同作用；鑄造工藝參數(shù)是模擬過程中的熱源來源，對(duì)鑄造的整個(gè)充型、凝固、熱應(yīng)力的計(jì)算都是有直接的影響，凝固過程是鑄件質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的主要過程，而影響凝固過程的主要參數(shù)是合金的熱物性參數(shù)與鑄造工藝對(duì)應(yīng)的模擬過程的控制參數(shù)，其中控制參數(shù)要反映實(shí)際的生產(chǎn)情況要與生產(chǎn)工藝相吻合；物理常量參數(shù)決定了模擬計(jì)算的時(shí)間和補(bǔ)縮情況。添加結(jié)果一種材料的相關(guān)參數(shù)通過查找、計(jì)算、實(shí)測(cè)等手段確定之后，按照上述過程進(jìn)行添加，所測(cè)得的數(shù)據(jù)是離散的點(diǎn)值，添加到MAGMASOFT軟件中是以連續(xù)函數(shù)的形式保存的，以保證模擬運(yùn)算過程中方程的連續(xù)性。在MAGMASOFT中輸入孤立的點(diǎn)函數(shù)后圖像是自動(dòng)生成的，不用另外做函數(shù)圖，理論上確定的點(diǎn)越多模擬的結(jié)果就越準(zhǔn)確。小結(jié)(1)介紹了MAGMASOFT的主要特點(diǎn)，和工程應(yīng)用范圍；(2)介紹了MAGMASOFT的工作原理和模擬方法，對(duì)其工作流程、模擬過程、參數(shù)設(shè)定、結(jié)果顯示進(jìn)行了說明。MAGMASOFTAZ91數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介啟動(dòng)程序，進(jìn)入MAGMA材料庫(kù)（Database），選擇材料，得到如圖3.1a所示窗口（本文以AZ91為例進(jìn)行說明）。圖3.1a初始頁面國(guó)外相關(guān)信息圖3.1b國(guó)外相關(guān)信息如圖3.1b，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)對(duì)應(yīng)USA，ASTMB275：AZ91B；日本標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)對(duì)應(yīng)Japan，JISH2222:MDCIN1B。材料性能參數(shù)材料類型：AZ91是輕合金。固相線溫度如圖3.2a，AZ91的固相線溫度是425℃。液相線溫度是601℃。合金冷卻時(shí)，會(huì)在某一個(gè)溫度開始形成固體晶體（但大部分為液體），再繼續(xù)冷卻，就會(huì)在一個(gè)更低的溫度完全變成固體。隨著合金成分的變化，這兩個(gè)溫度點(diǎn)也會(huì)變化，因此形成一個(gè)相對(duì)合金成分變化的兩條曲線。上面一條曲線為液相線，下面為固相線。模擬初始溫度如圖3.2a對(duì)AZ91鑄件進(jìn)行鑄造模擬的初始溫度為650℃。潛熱如圖3.2a所示合金AZ91的熔化潛熱為370KJ/Kg。潛熱是指在溫度保持不變的條件下，1kg物質(zhì)在從某一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的相變過程中所吸入或放出的熱量。是一狀態(tài)量。因任何物質(zhì)在僅吸入(或放出)潛熱時(shí)均不致引起溫度的升高(或降低)，這種熱量對(duì)溫度變化只起潛在作用，所圖3.2a材料性能參數(shù)以叫做潛熱。其值不僅因物質(zhì)種類不同而異，而且也與溫度或壓力密切相關(guān)。按相變過程種類的不同，有氣化潛熱、熔解潛熱和升華潛熱等。同種物質(zhì)在溫度相同、方向相反的相變過程中所吸入或放出的潛熱，其量值必相等，如氣化潛熱總是等于凝結(jié)潛熱。一級(jí)相變過程中單位質(zhì)量物質(zhì)吸收或放出的熱量。有時(shí)稱相變潛熱。物質(zhì)三態(tài)變化都是相變，因此汽化熱、熔解熱、升華熱都是相變潛熱。在不同的相變溫度下，相變潛熱有不同的值。在物質(zhì)的三相點(diǎn)，有三種潛熱。如果用α、β、γ分別代表物質(zhì)的固、液、氣相,用潛熱分別表示熔解、汽化、升華三種潛熱，則有潛熱即三種潛熱中的一種，可由其他兩種求出。許多固體在不同的溫度和壓強(qiáng)下具有不同的結(jié)晶形式，即可以從一種固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相，這種過程稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變過程中也要產(chǎn)生相變潛熱。本文中主要考慮的是固液轉(zhuǎn)變中的潛熱發(fā)生。在一級(jí)相變中，吸收或釋放熱量，伴隨體積的變化，但系統(tǒng)的溫度不變。所吸收或放出的熱量稱為“相變潛熱”。相變潛熱與發(fā)生相變的溫度有關(guān)，單位質(zhì)量的某種物質(zhì)，在溫度下的相變潛熱是值。若用u1和u2分別表示1相和2相單位質(zhì)量的內(nèi)能，用v1和v2分別表示1相和2相單位質(zhì)量的體積，于是單位質(zhì)量的物質(zhì)由1相轉(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)所吸收的相變潛熱可用下式表示：l＝（u2-u1）＋p（v2-v1）＝h2-h1（3-1）式中p是作用于系統(tǒng)的外部壓強(qiáng)，h1和h2分別為1相和2相單位質(zhì)量的焓。上式相變潛熱公式表明，相變潛熱內(nèi)潛熱（u2-u1）和外潛熱p（v2-v1）兩部分。冒口材料填充率冒口材料填充率是58.0%，如圖3.2a所示。按照牛頓理論冷卻圖3.2b牛頓冷卻定律示意圖牛頓冷卻定律（Newton'slawofcooling)：溫度高于周圍環(huán)境的物體向周圍媒質(zhì)傳遞熱量逐漸冷卻時(shí)所遵循的規(guī)律。當(dāng)物體表面與周圍存在溫度差時(shí)，單位時(shí)間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比，比例系數(shù)稱為熱傳遞系數(shù)。牛頓冷卻定律是牛頓在1701年用實(shí)驗(yàn)確定的，在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)與實(shí)際符合較好，在自然對(duì)流時(shí)只在溫度差不太大時(shí)才成立。是傳熱學(xué)的基本定律之一，用于計(jì)算對(duì)流熱量的多少。如圖3.2a所示：溫差Δt＝|tw-tf|q＝hΔtΦ＝qA＝AhΔt＝Δt/(1/hA)（3-2）其中的1/hA稱為對(duì)流傳熱熱阻。字母代碼為q為熱流密度，h為物質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)，Φ為傳熱量A為傳熱面積。一個(gè)熱的物體的冷卻速度與該物體和周圍環(huán)境的溫度差成正比。即-dT/dt=(T-Tc)/τ（3-3）式中，-dT/dt——物體的溫度隨時(shí)間下降的速度，負(fù)號(hào)表示物體的溫度是下降的，τ——物體的溫度從T下降到環(huán)境溫度Tc實(shí)際所需要的弛豫時(shí)間。在微分條件下，-dT/dt和(T-Tc)/τ是微線性關(guān)系。這是微線性思維的典范之一。牛頓冷卻定律的這個(gè)微分方程沒有考慮物體的性質(zhì)，所以這不是物性方程式。它只是關(guān)于一個(gè)假想物體，其溫度隨時(shí)間單純下降的一個(gè)數(shù)學(xué)微分方程。與其叫“牛頓冷卻定律”，叫“牛頓冷卻定理”更準(zhǔn)確。不過，這個(gè)明顯的缺點(diǎn)，反而是最大的優(yōu)點(diǎn)。它的無比抽象性在宣告：“這是任何物體冷卻的共同遵守的數(shù)學(xué)規(guī)律！”。實(shí)驗(yàn)表明，物體的溫度隨時(shí)間下降的速度和物體的結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)并非完全無關(guān)。尤其是急速冷卻的條件下，我們可以修改線性“牛頓冷卻定理”，給它添加若干個(gè)非線性的項(xiàng)就可以了解決實(shí)際問題了。這也告訴我們上面的微線性牛頓冷卻定律至少不適用于描寫那些急速溫度變化的物理現(xiàn)象。導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線導(dǎo)熱系數(shù)如圖3.3所示，熱導(dǎo)率或稱“導(dǎo)熱系數(shù)”，是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度。符號(hào)為λ或K。其定義為：在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向取兩個(gè)相距1米，面積為1米2的平行平面，若兩個(gè)平面的溫度相差1K，則在1秒內(nèi)從一個(gè)平面?zhèn)鲗?dǎo)至另一個(gè)平面的熱量就規(guī)定為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率，其單位為瓦特·米-1·開-1（W·m-1·K-1）。如沒有熱能損失，對(duì)于一個(gè)對(duì)邊平行的塊形材料，則有：E/t=λA（θ2-θ1）/l（3-4）式中E是在時(shí)間t內(nèi)所傳遞的能量，A為截面積，l為長(zhǎng)度，θ2和θ1分別為兩個(gè)截面的溫度。在一般情況下有：dE/dt=-λAdθ/dl（3-5）熱導(dǎo)率λ很大的物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或?yàn)闊峤^緣體。λ值受溫度影響，隨溫度增高而稍有增加。若物質(zhì)各部之間溫度差不很大時(shí)，在實(shí)用上對(duì)整個(gè)物質(zhì)可視λ為一常數(shù)。晶體冷卻時(shí)，它的熱導(dǎo)率增加極快。圖3.3導(dǎo)熱系數(shù)-溫度曲線根據(jù)圖3.3數(shù)據(jù)可知，溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：1．從1℃到425℃溫度區(qū)間，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而逐漸升高，最大值為83W/mK；2．從425℃到601℃溫度區(qū)間，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而逐漸降低，最小值為70W/mK；3．從601℃到1000℃溫度區(qū)間，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而逐漸升高，直到83W/mK；4．當(dāng)溫度超過1000℃之后，導(dǎo)熱系數(shù)保持83W/mK不變。相關(guān)分析從上一章節(jié)我們可以知道，601℃是液相線溫度。在425℃到601℃溫度區(qū)間，AZ91進(jìn)入液相到氣相的轉(zhuǎn)變，箱變過程中伴隨著潛熱的發(fā)生，從而存在熱量的吸收或者釋放，因此導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的下降。當(dāng)合金溫度高于601℃之后，合金已經(jīng)完全氣化，所以潛熱印象逐漸減小，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸恢復(fù)，并在1000℃時(shí)恢復(fù)至最大水平。超過1000℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)是由材料決定，不再發(fā)生改變。固相到液相中導(dǎo)熱系數(shù)沒有類似的回落，推測(cè)為在固液轉(zhuǎn)變過程中潛熱對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響甚小或者沒有影響。綜上得到如圖3.3所示溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)應(yīng)折線。密度-溫度曲線如圖3.4所示，密度的物理意義：某種物質(zhì)的質(zhì)量和其體積的比值，即單位體積的某種物質(zhì)的質(zhì)量，叫作這種物質(zhì)密度。用水舉例，水的密度在4℃時(shí)為103千克/米3或1克/立方厘米（1.0×103kg／m3，）物理意義是：每立方米的水的質(zhì)量是1.0×103千克，密度通常用“ρ”表示，讀“rou”。密度是反映物質(zhì)特性的物理量，物質(zhì)的特性是指物質(zhì)本身具有的而又能相互區(qū)別的一種性質(zhì)，人們往往感覺密度大的物質(zhì)“重”，密度小的物質(zhì)“輕”一些，這里的“重”和“輕”實(shí)質(zhì)上指的是密度的大小。質(zhì)量是物體所含物質(zhì)的多少。所含物質(zhì)減少，所以質(zhì)量減少。密度是物質(zhì)的一種特性，它不隨質(zhì)量、體積的改變而改變，同種物質(zhì)的密度不變。圖3.4密度-溫度曲線密度是物質(zhì)的一種特性，它只與物質(zhì)的種類有關(guān)，與質(zhì)量、體積等因素?zé)o關(guān)，不同的物質(zhì)，密度一般是不相同的，同種物質(zhì)的密度則是相同的。密度的公式：ρ＝m/V(ρ表示密度、m表示質(zhì)量、V表示體積)正確理解密度公式時(shí)，要注意條件和每個(gè)物理量所表示的特殊含義。國(guó)際單位制中密度的單位是：千克/米3；正確讀法為千克每立方米，符號(hào)kg/m3；常用的單位是克/厘米3；正確讀法是克每立方厘米，符號(hào)為g/cm3。它們之間的換算關(guān)系：1g/cm3=1000kg/m3。在密度溫度曲線圖3.4中我們可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度升高，密度始終是越來越小，直到氣化。在601℃溫度點(diǎn)附近有小的波動(dòng)，這可以理解為完全液化對(duì)整個(gè)合金形態(tài)的影響，導(dǎo)致密度有少許的增大。比熱容-溫度曲線如圖3.5，比熱容(specificheatcapacity)又稱比熱容量，簡(jiǎn)稱比熱(specificheat)，是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即使單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能。比熱容是表示物質(zhì)熱性質(zhì)的物理量。通常用符號(hào)c表示。物質(zhì)的比熱容與所進(jìn)行的過程有關(guān)。在工程應(yīng)用上常用的有定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態(tài)比熱容三種，定壓比熱容Cp是單位質(zhì)量的物質(zhì)在比壓不變的條件下，溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量；定容比熱容Cv是單位質(zhì)量的物質(zhì)在比容不變的條件下，溫度升高或下降1℃或1K吸收或放出的內(nèi)能，飽和狀態(tài)比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)在某飽和狀態(tài)時(shí)，溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的熱量。設(shè)有一質(zhì)量為m的物體，在某一過程中吸收（或放出）熱量ΔQ時(shí)，溫度升高（或降低）ΔT，則ΔQ/ΔT稱為物體在此過程中的熱容量（簡(jiǎn)稱熱容），用C表示，即C=ΔQ/ΔT。用熱容除以質(zhì)量，即得比熱容c=C/m=ΔQ/mΔT。對(duì)于微小過程的熱容和比熱容，分別有C=dQ/dT，c=1/m*dQ/dT。因此，在物體溫度由T1變化到T2的有限過程中，吸收（或放出）的熱量Q=∫(T2,T1)CdT=m∫(T2,T1)CdT。圖3.5比熱容-溫度曲線一般情況下，熱容與比熱容均為溫度的函數(shù)，但在溫度變化范圍不太大時(shí)，可近似地看為常量。于是有Q=C(T2-T1)=mc(T2-T1)。如令溫度改變量ΔT=T2-T1，則有Q=cmΔT。這是中學(xué)中用比熱容來計(jì)算熱量的基本公式。在英文中，比熱容被稱為：SepcificHeatCapacity(SHC)。用比熱容計(jì)算熱能的公式為：Energy=Mass×SpecificHeatCapacity×Temperaturechange可簡(jiǎn)寫為：Energy=Mass×SHC×TempCh，Q=mcΔt。與比熱相關(guān)的熱量計(jì)算公式：Q=cmΔt即Q吸（放）=cm(t-t1)其中c為比熱，m為質(zhì)量，t為末溫，t1為初溫，Q為能量。吸熱時(shí)為Q=cmΔt升（用實(shí)際升高溫度減物體初溫），放熱時(shí)為Q=cmΔt降（用實(shí)際初溫減降后溫度）。或者Q=cmΔt=cm(t末-t初)，Q>0時(shí)為吸熱，Q<0時(shí)為放熱。Dulong-Petit規(guī)律：金屬比熱容有一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律，即在一定溫度范圍內(nèi)，所有金屬都有一固定的摩爾熱容：Cp≈25J/(mol·K)所以Cp=25/M，其中M為摩爾質(zhì)量，比熱容單位J/(mol·K)。當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于200K時(shí)關(guān)系不再成立，因?yàn)閷?duì)于T趨于0，C也將趨于0。從圖3.5比熱容-溫度曲線中我們也可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，直到AZ91合金氣化，比熱容一直隨著溫度的升高而增大。熔化和汽化過程中比熱容升高比較快，這是由于在相變過程中有潛熱的影響。致使合金溫度升高過程中需要吸收更多的熱量。當(dāng)合金變?yōu)闅庀嘀?，比熱容不再隨著溫度的升高而增大，趨于穩(wěn)定。固相分?jǐn)?shù)-溫度曲線圖3.6固相分?jǐn)?shù)-溫度曲線如圖3.6所示，固相分?jǐn)?shù)指的是固體相在整個(gè)合金所占的比例。當(dāng)固相分?jǐn)?shù)變?yōu)榱愕臅r(shí)候，表示此時(shí)后的金屬已經(jīng)全部融化，成為液相。從圖3.6中可以看到，當(dāng)溫度為425℃的時(shí)候，固相分?jǐn)?shù)是1，此時(shí)，AZ91還未熔化。當(dāng)AZ91的溫度超過601℃（液相線溫度），AZ91處于氣相形態(tài)，沒有固相存在。固相分?jǐn)?shù)也就為0，溫度繼續(xù)升高，固相線分?jǐn)?shù)保持不變。密度和比熱容-溫度曲線圖3.7a密度和比熱容-溫度曲線圖3.7b密度和比熱容-溫度曲線如圖3.7a、3.7b所示，密度比熱容的乘積表示的是：由Q=cmΔt和m=ρV可知，cρ=Q/mΔt即表示單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高一攝氏度時(shí)需要吸收的熱量，這里我們可以理解為單位質(zhì)量的AZ91升高一攝氏度時(shí)所需要的熱量。密度和比熱容的乘積可以理解為：?jiǎn)挝幻芏任镔|(zhì)的熱容量，即是單位密度物體改變單位溫度時(shí)的吸收或釋放的內(nèi)能。從圖3.7a、3.7b中可以看到，整個(gè)密度*比熱容-溫度曲線中有兩處急劇變化的點(diǎn)。參考AZ91的物理性質(zhì)，這兩個(gè)點(diǎn)是AZ91發(fā)生相變的時(shí)候，由于有了相變潛熱的存在，使得AZ91從固相變?yōu)橐合啵合嘧優(yōu)闅庀嗟臅r(shí)候會(huì)發(fā)生吸收相變潛熱，從而導(dǎo)致了升高一定溫度需要吸收更多的熱量。當(dāng)AZ91出于單一的相態(tài)時(shí)候，密度與比熱容的乘積隨溫度的變化不是很強(qiáng)烈，只是稍有上升，大體趨勢(shì)還是保持一致的。流動(dòng)性研究如圖3.8所示金屬的流動(dòng)性考慮的是金屬在熔融狀態(tài)的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)遵循流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。實(shí)際劉提示有粘性的，靜止時(shí)可以不考慮其粘性，但是運(yùn)動(dòng)流體中質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此除考慮質(zhì)量力和壓力作用外，還要考慮粘性摩擦力的作用。澆鑄過程中，摩擦力的大小也會(huì)影響到模具填充過程中的金屬流動(dòng)性，從而影響鑄件的鑄造質(zhì)量。所以在選擇澆鑄溫度的時(shí)候，選擇一個(gè)金屬流動(dòng)性最好的時(shí)候能夠提高鑄件的質(zhì)量。根據(jù)圖3.8可知，當(dāng)溫度在469℃的時(shí)候，AZ91的粘度系數(shù)最小，也就是流動(dòng)性最好。此時(shí)，金屬熔液充滿型腔的能力也是最強(qiáng)，對(duì)于充分利用金屬熔液的流動(dòng)性最為有利。所以系統(tǒng)內(nèi)設(shè)模擬溫度為469℃。我們運(yùn)用MAGMASOFT進(jìn)行數(shù)值模擬的目的就是尋找實(shí)際生產(chǎn)過程中的最優(yōu)化的運(yùn)作方案。所以我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇了AZ91液態(tài)時(shí)流動(dòng)性最好的溫度點(diǎn)進(jìn)行模擬，爭(zhēng)取得到的設(shè)計(jì)方案是最優(yōu)化的。圖3.8金屬流動(dòng)性粘性系數(shù)-溫度曲線黏度(viscosity)施加于流體的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的變形速率以一定的關(guān)系聯(lián)系起來的流體的一種宏觀屬性，表現(xiàn)為流體的內(nèi)摩擦。又稱黏性系數(shù)、動(dòng)力粘度，記為μ。牛頓黏性定律指出，在純剪切流動(dòng)中相鄰兩流體層之間的剪應(yīng)力（或粘性摩擦應(yīng)力）為式中dv/dy為垂直流動(dòng)方向的法向速度梯度。黏度數(shù)值上等于單位速度梯度下流體所受的剪應(yīng)力。速度梯度也表示流體運(yùn)動(dòng)中的角變形率，故黏度也表示剪應(yīng)力與角變形率之間比值關(guān)系。按國(guó)際單位制，黏度的單位為帕·秒。有時(shí)也用泊或厘泊(1泊＝10-1帕·秒，1厘泊＝10-2泊）。英文表示式Pa/s(帕/秒)或mPa/s(毫泊/秒)。黏度是流體的一種屬性，不同流體的粘度數(shù)值不同。同種流體的黏度顯著地與溫度有關(guān)，而與壓強(qiáng)幾乎無關(guān)。氣體的黏度隨溫度升高而增大，液體則減小。在溫度T<2000開時(shí)，氣體黏度可用薩特蘭公式計(jì)算：μ/μ0＝(T/T0)3/2(T0＋B)/(T＋B)（3-6）式中T0、μ0為參考溫度及相應(yīng)粘度，B為與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，空氣的B＝110.4開；或用冪次公式：μ/μ0＝(T/T0)n，指數(shù)n隨氣體種類和溫度而變，對(duì)于空氣，在90開<T<300開范圍可取為8/ρ。水的粘度可按下式計(jì)算：μ＝0.01779/(1＋0.03368t＋0.0002210t2)（3-7）式中t為攝氏溫度。粘度也可通過實(shí)驗(yàn)求得，如用黏度計(jì)測(cè)量。在流體力圖3.9粘度-溫度曲線學(xué)的許多公式中，黏度常與密度ρ以μ/ρ的組合形式出現(xiàn)，故定義v＝μ/ρ，由于v的單位米2/秒中只有運(yùn)動(dòng)學(xué)單位，故稱運(yùn)動(dòng)粘度。對(duì)于牛頓流體，剪切應(yīng)力與剪切速率之比為常數(shù)，稱為牛頓黏度，對(duì)于非牛頓流體，剪切應(yīng)力與剪切速率之比隨剪切應(yīng)力而變化，所得的粘度稱在相應(yīng)剪切應(yīng)力下的“表觀黏度”。塑料屬于后一種情況。黏度是指液體受外力作用移動(dòng)時(shí)，分子間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的量度。運(yùn)動(dòng)粘度表示液體在重力作用下流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的量度，其值為相同溫度下的動(dòng)力粘度與其密度之比，在國(guó)際單位制中以米2/秒表示。習(xí)慣用厘斯(cSt)為單位。1厘斯=10-6米2/秒=1毫米2/秒。流體內(nèi)部抵抗流動(dòng)的阻力，用對(duì)流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之比表示。單位為泊[帕·秒]。從圖3.9粘度-溫度曲線中我們可以看到：金屬液在溫度為469℃時(shí)候，粘度系數(shù)最小，隨溫度升高，粘度系數(shù)略有上升，幅度較小。楊氏模量（彈性模數(shù)）-溫度曲線如圖3.10所示，楊氏模量(Young'smodulus)是表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量，它是沿縱向的彈性模量，也是材料力學(xué)中的名詞。1807年因英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家托馬斯·楊(ThomasYoung，1773-1829)所得到的結(jié)果而命名。根據(jù)胡克定律，在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比值被稱為材料的楊氏模量，它是表征材料性質(zhì)的一個(gè)物理量，僅取決于材料本身的物理性質(zhì)。楊氏模量的大小標(biāo)志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發(fā)生形變。楊氏彈性模量是選定機(jī)械零件材料的依據(jù)之一是工程技術(shù)設(shè)計(jì)中常用的參數(shù)。楊氏模量的測(cè)定對(duì)研究金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義，還可用于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)、生物力學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。測(cè)量楊氏模量的方法一般有拉伸法、梁彎曲法、振動(dòng)法、內(nèi)耗法等，還出現(xiàn)了利用光纖位移傳感器、莫爾條紋、電渦流傳感器和波動(dòng)傳遞技術(shù)（微波或超聲波）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法測(cè)量楊氏模量。固體在外力作用下將發(fā)生形變，如果外力撤去后相應(yīng)的形變消失，這種形變稱為彈性形變。如果外力撤去后仍有殘余形變，這種形變稱為范性形變。應(yīng)力Tensilestress(σ)單位面積上所受到的力(F/AA=cross-sectionalarea=S面積)。應(yīng)變Tensilestrain(ε)：是指在外力作用下的相對(duì)形變(相對(duì)伸長(zhǎng)e/Le=extension=△L)它反映了物體形變的大小。胡克定律：在