計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1、 一、采樣與信號處理 1.傳感器的分類 2.傳感器與計算機(jī)控制系統(tǒng)的連接 3.采樣方式和數(shù)字濾波 4.標(biāo)度變換 5.非線性補(bǔ)償1、基本概念 熱分析是一種材料研究的工具。當(dāng)物質(zhì)的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化時，往往伴隨著熱力學(xué)性質(zhì)的變化，因此可以通過測定其熱力學(xué)性質(zhì)的變化，來了解物質(zhì)物理或化學(xué)變化過程。2、熱分析方法的種類： 1）差熱分析（Differential Thermal Analysis 簡稱DTA） 2）示差掃描分析（Differential Scanning Calorimetry 簡稱DSC） 3）熱重分析（Thermogra Vimetric Analysis 簡稱TGA） 4）

2、熱機(jī)械分析（Thermomechanic Analysis 簡稱TMA） 5）鑄造熱分析方法，又稱冷卻曲線分析（Cooling Curve Analysis 簡稱CCA）在此僅介紹冷卻曲線分析，由于引入計算機(jī)技術(shù)，又稱CACCA（computer-aided cooling curve analysis）。3、基本原理 冷卻曲線分析根據(jù)金屬或合金凝固過程中樣品的溫度變化，研究金屬或合金的結(jié)晶方式。早期用于制作相圖，60年代以后在鑄造生產(chǎn)中作為爐前檢驗和控制合金質(zhì)量的手段。以灰鑄鐵為例：圖1.灰鑄鐵相圖和凝固曲線成分1： T1357時，液相冷卻，無相變和潛熱放出。 T= 1357時，析出奧氏體相

3、，放出潛熱，冷卻曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)和平臺，平臺的寬度與析出奧氏體量有關(guān)。 1153 T1260時，液相冷卻，無相變和潛熱放出。 T= 1260時，析出奧氏體相，放出潛熱，冷卻曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)和平臺。這時，平臺的寬度明顯小于成分1。 1153 T1153時，液相冷卻，無相變和潛熱放出。 T 1153 時，由于共晶組織為100，溫度回升較大，甚至超過平衡共晶溫度。 以上是根據(jù)鐵碳平衡相圖分析灰鑄鐵的冷卻曲線，反之也可以根據(jù)冷卻曲線分析奧氏體析出溫度、共晶組織析出溫度及其相對量、含碳量。但冷卻曲線還受 Si, Mn, P, S等元素和冷卻條件的影響，情況更加復(fù)雜。Metallurgical Process C

4、ontrol forGray and Ductile IronDerivative and Calorimetric Thermal Analysis combined with Applied Artificial IntelligenceDeveloped by NovaCast AB in cooperation withSwedish Foundry Association Day 1: C = 3,4 % Si = 2,1 % , 1380 C Scrap rate = 2,0 %. All measured data OK! Day 2: C = 3,4 % Si = 2,1 %

5、, 1380 C Scrap rate = 12,0 % All measured data OK! The problem is that essential data are not measured and knowledge is lacking. The foundryman can not see what he should see! Chemical composition Charge materials and composition (Combined & Free C) Charging sequence and temperature / time ratio

6、s Iron handling and treatment practice Pouring temperature and inoculation practice Presence and amount of reaction products Thermal properties of alloy, mould and core(s) Mould / Core hardness / Weighting Methoding (gating, feeding, feeding paths, etc.) Shake-out timeIt is understandable that the p

7、roperties vary between melts. Spectrometer only shows amount per element! No info about compounds! No info about nucleation properties! No info about graphite precipitation! Tramp elements often not analysed Are spectrometer readings reliable? C, SiThe purpose of ATAS is to open a new window into th

8、e metallurgical process. Melts with identical chemistry can behave completely different when poured! It is the combination of advanced thermal analysis and chemistry that makes efficient process control possible. Macro- and micro shrinkages, porosity Chill and intercellular carbides Graphite shape a

9、nd matrix Expansion penetration Certain slag and gas-related defects Fluidity, castability Strength, hardness, machinability Nodularity, Nodule Count About 40% of all scrap has metallurgical causes! Measure essential metallurgical parameters Interpret actual data Predict final results Learn from exp

10、erience Adjust according to suggested corrections Advisory system increases knowledge Increased awareness / Tutorial ATAS is designed to fulfill these requirements Each melt is an “individual”. The cooling curve can be regarded as its thermodynamic fingerprint.Assume:Yearly production of 10.000 tons

11、Scrap reduction: $ 10 to 20 / percent / tonnageReduction, 1%, saving :$ 150.000Yield improvement: $ 2-4 / percent / tonnageImproving, 65% to 67%, saving: $ 60.000Reduced consumption of inoculant and Mg-alloy5% reduction, saving of at least: $ 50.000Total net savings approx: $ 25 per ton.Plus reduced

12、 cost for sampling, plus higher customer satisfaction etcYearly savings: $ 250.000$圖2.熱分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 分類 （1）按形狀 方形，圓形。 （2）按熱電偶安置方式 橫穿，底伸。 （3）按熱電偶種類 鎳鉻鎳硅：測溫范圍：401300， 價格便宜，熱電勢高。 鉑銠鉑：測溫范圍：01600，復(fù)現(xiàn)性好。溫度補(bǔ)償（1）人工補(bǔ)償 測得熱電勢參考端熱電勢 實際溫度熱電勢 例：鎳鉻鎳硅熱電偶，測得熱電勢E測32.072mv 參考端溫度為30，查得參考端熱電勢E參 1.203mv,實際溫度熱電勢E參33.275mv，查 表得實際

13、溫度T800。（2）自動補(bǔ)償 不平衡電橋電路，利用電阻阻值隨溫度變化的律。（3）軟件補(bǔ)償（1）放大電路 熱電偶的輸出電壓很小，一般數(shù)十微伏/度。 a) 市售 （整數(shù)倍） b) 自行設(shè)計（零漂，線性校準(zhǔn)）（2） A/D轉(zhuǎn)換電路 a)板卡式 直接插入ISA或PCI插槽。 特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，微秒級 占資源大，傳送距離近。 b）模塊式 通過串口與計算機(jī)連接 c）組合式1）普通臺式機(jī)、筆記本式或工控機(jī)。2）顯示屏。3）應(yīng)用軟件是核心。0200400600800100012001100112011401160118012001220124012601280Ter2Teu2Teu1TL2TL1TmaxTem

14、perature（）Time（0.1Sec） 1-Te Added 2-No Te Added圖1 加碲和不加碲樣杯亞共晶鑄鐵冷卻曲線1、碳當(dāng)量的測定 1961年Humphreys第一個發(fā)表了有實用意義的液相線溫度 與CEL的線性關(guān)系式：TL1669124CEL 變換成：CEL13.460.00806TL 其中： CELCSi/4P/2 CE CSi/3P/3 1964年Moore采用加碲樣杯得到幾乎相同的關(guān)系式： CEL13.420.00806TL 目前賀利氏公司使用的關(guān)系式： CEL14.450.0089TL 2007年4月，本人在維眾公司試驗得到的關(guān)系式： CEL13.140.0078T

15、L 可以認(rèn)為： CELABTL 其中常數(shù)A、B隨生產(chǎn)條件的變化而改變。2、鑄鐵成分的測定（C，Si） CAB TL CTeu Si%AB TL CTeu 目前賀利氏公司使用的關(guān)系式： C0.0178Teu0.0084TL6.51 Si%78.4110.06831Teu回歸模型相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差CEL13.14-0.0078TL-0.93250.0261CE13.55-0.0080TL-0.92870.0276C%17.70-0.00643TL-0.00593Teu0.94050.0231Si%24.64-0.02036Teu-0.68740.0306Si%23.13-0.000403TL-0.0

16、1858Teu0.68980.0315表1 加碲樣杯的回歸方程、相關(guān)系數(shù)及偏差 回歸模型相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差CEL12.60-0.0074TL-0.94170.0243CE12.99-0.0076TL-0.93750.0259C%17.31-0.00777TL-0.00414Teu0.95190.0208Si%21.02-0.00519TL-0.01145Teu0.67870.0319表2不加碲樣杯的回歸模型、相關(guān)系數(shù)及偏差回歸模型相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差CEL13.21-0.00716TL-0.00069Tmax0.95960.0209CE13.614-0.00736TL-0.000704Tmax0.9

17、5510.0228C%18.43-0.00763TL-0.00452TS-0.000664Tmax0.97160.0166Si25.46-0.00551TL-0.01494TS-0.0159TR0.73830.0303表3不加碲樣杯的多元線性回歸模型、相關(guān)系數(shù)及偏差3、力學(xué)性能的預(yù)報共晶度：SC3.674-0.0023TLSC1,過共晶成分；SC1，共晶成分；SC1,亞共晶成分?？估瓘?qiáng)度：RM（10282.5SC)9.81布氏硬度：HB538.6-354.75SC石墨化因素：K4/3Si2.22/（CSi/3） 4、白口傾向、孕育效果和石墨類型 D27（DT1/DTE）26圖2 不同條件的 冷卻曲線圖3 DT1/DTE與石墨類型的關(guān)系01002003004005006007009001000110012001300Temperature()time(sec)-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2