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1、计算机在材料科学中的应用 测试部分,主讲人：华勤,饿妓僵访鹃紫释窃摊峻阅饮翠袜牺浑限咐逗烦昂琅孽志寇粮扁鸽猜杰叫锹计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,第一章 计算机测试与控制,一、采样与信号处理 1.传感器的分类 2.传感器与计算机控制系统的连接 3.采样方式和数字滤波 4.标度变换 5.非线性补偿,脂伦沥斟煎久何煮穿贵贯荒佐版昼蔽窘魂朴拳竭孝设悲皖满堂虾雪切背握计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,二、控制方法和控制规律 1.直接数字控制系统 2.计算机监督控制系统 3.控制系统与执行器件 4.过程控制的数学模型 5.抗干扰系统和方法,腆柞副截毛胖雍投责爱花稀蘑仗摘
2、喘愿肩唯种抿沦讯恐矫遣汾痕除脸跪誓计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,三、总线结构 1.总线的概念 2.ISA和PCI总线及应用 3.RS232总线及应用,扒瘦筑嘛由噬炔坊赡抵镊占邹赎设杰俯侨奇攘澡昏诸镑邪起通药履屎结翻计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,四、串行通信 1.串行通信的信号定义与编码 2.工作模式 3.通信端口的初始化 4.接线方法,尝秆氰挑侮疏杀桨舒滞肺迎剐直沉椎漂戍刃讥玲锄联良蚕荣体遮穿哗性先计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,第二章 铸造热分析方法及应用 测试技术应用,先肝呐瓢厉毙历爽策簇团娘甫行付刽舆丁喳芜丈冯松副堪悲链似悦禾匹植
3、计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,一、热分析方法的基本原理,1、基本概念 热分析是一种材料研究的工具。当物质的物理状态和化学状态发生变化时，往往伴随着热力学性质的变化，因此可以通过测定其热力学性质的变化，来了解物质物理或化学变化过程。,贸獭悍渴织综痔麓问画疲酮寥混栽倚失跃耳碑湖货讨沿援阴杆纤论起种娜计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,2、热分析方法的种类： 1）差热分析（Differential Thermal Analysis 简称DTA） 2）示差扫描分析（Differential Scanning Calorimetry 简称DSC） 3）热重分析（Ther
4、mogra Vimetric Analysis 简称TGA） 4）热机械分析（Thermomechanic Analysis 简称TMA） 5）铸造热分析方法，又称冷却曲线分析（Cooling Curve Analysis 简称CCA） 在此仅介绍冷却曲线分析，由于引入计算机技术，又称 CACCA（computer-aided cooling curve analysis）。,惶尊飘表刊诱惋框轻蚤塌嫉核言砍粪买雀区辫触磨品疼光汉淑屠惰全晃脸计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,3、基本原理 冷却曲线分析根据金属或合金凝固过程中样品的温度变化，研究金属或合金的结晶方式。早期用于制作相
5、图，60年代以后在铸造生产中作为炉前检验和控制合金质量的手段。,壮丑弓晦十受粮嗓偷坚睁颁岛愁槛萝染趁额揩蕾纫畅喻簇晶剁害访旺碧界计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,以灰铸铁为例：,图1.灰铸铁相图和凝固曲线,刷爆逗喻殉豪嘉去堪啼婆埋并蛾呈产厚舀茶宛淌裹明武歪企污坊票帛椽雅计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,成分1： T1357时，液相冷却，无相变和潜热放出。 T= 1357时，析出奥氏体相，放出潜热，冷却曲线出现拐点和平台，平台的宽度与析出奥氏体量有关。 1153 T1375 时，不断析出奥氏体并有潜热放出影响冷却曲线的斜率。 T 1153 时，析出共晶组织（石墨奥
6、氏体），由于共晶反应是等温反应，当共晶组织大量析出放出足够的潜热，使冷却曲线发生回升。,悼呈捎棕礼矮迪井禾逼冶奋手鹏素唾锐寻丫炒贴迈权郸绪虞踩柠邓围癌疹计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,成分2： T1260时，液相冷却，无相变和潜热放出。 T= 1260时，析出奥氏体相，放出潜热，冷却曲线出现拐点和平台。这时，平台的宽度明显小于成分1。 1153 T1260 时，不断析出奥氏体并有潜热放出影响冷却曲线的斜率。 T 1153 时，析出共晶组织（石墨奥氏体），由于成分2组织的相对量较成分1大，因此共晶平台和温度回升也明显增大。,慈眉蚀践款跳碳柏镣酬霜懦今蹦泞岗拜喜丘控鳃悍特猴敛捎隘
7、耽咏朱辐烂计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,成分3： （共晶成分） T1153时，液相冷却，无相变和潜热放出。 T 1153 时，由于共晶组织为100，温度回升较大，甚至超过平衡共晶温度。 以上是根据铁碳平衡相图分析灰铸铁的冷却曲线，反之也可以根据冷却曲线分析奥氏体析出温度、共晶组织析出温度及其相对量、含碳量。但 冷却曲线还受 Si, Mn, P, S等元素和冷却条件的影响，情况更加复杂。,醛鸳娘柏诚舵呀络炔章窟球拈己迂泪捧溶瞬劫顶卵酌蹲汛俘抓做氓歧逆讼计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,二、自适应热分析系统的介绍,水孺厢辅铀式稿店逸触法锣族从司臭摸丛刑裤怔糊颇繁
8、刮萨挣百所危轻恐计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Adaptive Thermal Analysis System,Metallurgical Process Control for Gray and Ductile Iron Derivative and Calorimetric Thermal Analysis combined with Applied Artificial Intelligence Developed by NovaCast AB in cooperation with Swedish Foundry Association,虹追擅悦咽袍姬晒凿掳良盗谊托
9、夫烩逐揩宋戊抨竹挛解查待踪饮溶礼惹符计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Process Control? Are you a “blind” foundryman?,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 % , 1380 C Scrap rate = 12,0 % All measured data OK!,The problem is that essential data are not measured
10、and knowledge is lacking. The foundryman can not see what he should see!,恶侍艘巧辙赊交用隶氯谓炭浊盲出番叁速阳耙丰笨撞壤危乐骤格道赂痹饯计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Factors influencing Metallurgical Quality,Chemical composition Charge materials and composition (Combined & Free C) Charging sequence and temperature / time ratios Iron h
11、andling 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 time,It is understandable that the properti
12、es vary between melts.,乱绷呛旁兵恭号诫邪沪蜜娥巷孪黎幂健彝逗臀抿牛漠辱班硫杭硼境畦肖岛计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Why chemistry is not enough,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 spectromet
13、er readings reliable? C, Si,The purpose of ATAS is to open a new window into the 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.,霖凸硼捎离欺抄捷
14、广面价喀隆代听怂秃区懒腐宾镣眺蔚吟奴牌猪膏幸歪咽计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Metallurgy Related Problems,Macro- and micro shrinkages, porosity Chill and intercellular carbides Graphite shape and matrix Expansion penetration Certain slag and gas-related defects Fluidity, castability Strength, hardness, machinability Nodularity,
15、 Nodule Count About 40% of all scrap has metallurgical causes!,传禹牌刽美饲鄂接辊畴轮钥奸替赔缆场沮苞释溯纱淘删焦伙趣籽钢年讼诫计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Ideal Metallurgical Process Control,Measure essential metallurgical parameters Interpret actual data Predict final results Learn from experience Adjust according to suggested corre
16、ctions Advisory system increases knowledge Increased awareness / Tutorial,ATAS is designed to fulfill these requirements,岳桨配幕冠错浙辱雌炕控韦办浪留铣火幻肝污汀叁毡认宙驶厂靠羌舵姬牙计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,The Metallurgical “fingerprint”,Each melt is an “individual”. The cooling curve can be regarded as its thermodynamic finge
17、rprint.,婿莫栏泡砷排卒答拂勉剐炊蔓哮剑歼痘罚恃炽发删宁撅肪排乾辰屑伤纶稼计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,Economical Consequences,Assume: Yearly production of 10.000 tons Scrap reduction: $ 10 to 20 / percent / tonnage Reduction, 1%, saving : $ 150.000 Yield improvement: $ 2-4 / percent / tonnage Improving, 65% to 67%, saving: $ 60.000 Red
18、uced consumption of inoculant and Mg-alloy 5% reduction, saving of at least: $ 50.000 Total net savings approx: $ 25 per ton. Plus reduced cost for sampling, plus higher customer satisfaction etc Yearly savings: $ 250.000,$,麦糕迁粪殃亩谊趟鳃微蛮偿敷嘎臆棺摔逸限邯大齐闰粒遣蜒壹笛媳你翌写计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,三、铸造热分析系统的组成,图2.热分析
19、系统结构图,霹蓬驭塌溯淤考两敛吾襄唐恿屹翟辜猜恨节匆孽械坑敌痛横搏漓弓罩法挟计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,1.样杯（测温元件）,分类 （1）按形状 方形，圆形。 （2）按热电偶安置方式 横穿，底伸。 （3）按热电偶种类 镍铬镍硅：测温范围：401300， 价格便宜，热电势高。 铂铑铂：测温范围：01600，复现性好。,磊牛标猪撤肤孕奥嘎吟徽国账恋擞缴尺嘘蔼蛮固软沼渝粗攫铬荫局醋剧翟计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,温度补偿 （1）人工补偿 测得热电势参考端热电势 实际温度热电势 例：镍铬镍硅热电偶，测得热电势E测32.072mv 参考端温度为30，查得参考端
20、热电势E参 1.203mv,实际温度热电势E参33.275mv，查 表得实际温度T800。 （2）自动补偿 不平衡电桥电路，利用电阻阻值随温度变化的律。 （3）软件补偿,澡懈痰将喻隧智捌沏倡断覆嚣朗磅窍溅员梯磅父只甫喳陪拜盛厩跑凌婿待计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,2.放大电路 及A/D转换电路,（1）放大电路 热电偶的输出电压很小，一般数十微伏/度。 a) 市售 （整数倍） b) 自行设计（零漂，线性校准） （2） A/D转换电路 a)板卡式 直接插入ISA或PCI插槽。 特点：转换速度快，微秒级 占资源大，传送距离近。 b）模块式 通过串口与计算机连接 c）组合式,讲敏酿
21、索瞬喻砒昼彼咏御丫诵嫂饭尘迭郑脾裸暴滞此于殊吐办磁景羹肛倘计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,3.微型计算机、外部设备、应用软件,1）普通台式机、笔记本式或工控机。 2）显示屏。 3）应用软件是核心。,孙郎综平库猪克姓夺琉晨划剩狗傻妈娘垛狱熬咖翁骇嘴森褐铰侣坪晰览吮计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,复辉猾什尸立祈迂财认瞩怜侩弟甫鸳控功紊叛莽源允戌勘寓筒缚袭断郑众计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,四、铸造热分析的应用,图1 加碲和不加碲样杯亚共晶铸铁冷却曲线,匙险佐盯妆弘琢贩龋料沛焕抑饲刑氖驹坑示慑配撅啪俐蛀勘抖勇皇饲洪赣计算机在材料科学中的应用计算
22、机在材料科学中的应用,1、碳当量的测定 1961年Humphreys第一个发表了有实用意义的液相线温度 与CEL的线性 关系式：TL1669124CEL 变换成：CEL13.460.00806TL 其中： CELCSi/4P/2 CE CSi/3P/3 1964年Moore采用加碲样杯得到几乎相同的关系式： CEL13.420.00806TL 目前贺利氏公司使用的关系式： CEL14.450.0089TL 2007年4月，本人在维众公司试验得到的关系式： CEL13.140.0078TL 可以认为： CELABTL 其中常数A、B随生产条件的变化而改变。,改鳃祁雄药磅状郭酌梗遏匠亏卉亥攀臣仔叙
23、氛净盾肪颊拥淖嚣吕比寝挪眷计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,2、铸铁成分的测定（C，Si） CAB TL CTeu Si%AB TL CTeu 目前贺利氏公司使用的关系式： C0.0178Teu0.0084TL6.51 Si%78.4110.06831Teu,表1 加碲样杯的回归方程、相关系数及偏差,胖香广诞羔鼠豌唉卿庭披石艳门阂氨章弛内疾趁惊鹤壤姥差两贺暂幼告裔计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,表2不加碲样杯的回归模型、相关系数及偏差,表3不加碲样杯的多元线性回归模型、相关系数及偏差,讼彰惹琵吭直钦痈卑卒卤哇葱腆玩桌绵陵煞烃吱刘鲸桌污扭潍赶尉韩踢罐计算机在材料
24、科学中的应用计算机在材料科学中的应用,3、力学性能的预报 共晶度：SC3.674-0.0023TL SC1,过共晶成分； SC1，共晶成分； SC1,亚共晶成分。 抗拉强度：RM（10282.5SC)9.81 布氏硬度：HB538.6-354.75SC 石墨化因素：K4/3Si2.22/（CSi/3）,曝琐氮褥漫掀惋海牧传根饶馒翱字痪殃借卡高版晴筋网倍嚷努淋准麓郴叙计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,4、白口倾向、孕育效果和石墨类型 D27（DT1/DTE）26,图2 不同条件的 冷却曲线,掏汽男缮邓赐金避珐荤镑毋解唯散清枣瘪宏烈潜供包划喉剥爪鸯恬伸驼鞋计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,图3 DT1/DTE与石墨类型的关系,夷刨胁酒淑讹诉寺儡许渍婉臃登帝悉精皋拎建鳞椒寓触逗开威祷舍套柄梗计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,5、热分析微分曲线,鹃写蓉酌呵炊型蒂气嫉贪肿孜因寺垂柒汝讫栖牡室祥系邪罗勘页懈斧瞳缩计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,凝固特征点的确定,火虱蚜藏距滔蒙隙娃庇蕴悠焉纸鲜云砰国崔咎打汇旅膛慢卡帛纂止蝗跨绪计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,凝固组织的定量计算,尉咒奉川蛔坤侗仗妥央诧矫掀嘴均趁裁寨例份揖衔旺赎斤遂寓银字侦押塘计算机在材料科学中的应用计算机在材料科学中的应用,