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计算机在材料科学中的应用 《 测试部分 》. 主讲人：华勤. 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. 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. 三、总线结构 1. 总线的概念 2.ISA 和 PCI 总线及应用 3.RS － 232 总线及应用.
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计算机在材料科学中的应用《测试部分》 主讲人：华勤
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
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
三、总线结构1.总线的概念2.ISA和PCI总线及应用3.RS－232总线及应用三、总线结构1.总线的概念2.ISA和PCI总线及应用3.RS－232总线及应用
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
第二章 铸造热分析方法及应用《测试技术应用》
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。
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（Thermogra 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 CA－CCA（computer-aided cooling curve analysis）。
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。
以灰铸铁为例： 图1.灰铸铁相图和凝固曲线
成分1： T>1357℃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 ℃<T<1375 ℃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。
成分2： T>1260℃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 ℃<T<1260 ℃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。
成分3： （共晶成分） T>1153℃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。
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
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 and knowledge is lacking. The foundryman can not see what he should see!
Factors influencing Metallurgical Quality • Chemical composition • Charge materials and composition (Combined & Free C) • Charging sequence and temperature / time ratios • 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 time It is understandable that the properties vary between melts.
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 spectrometer 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 thecombination of advanced thermal analysis and chemistry that makes efficient process control possible.
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, Nodule Count • About 40% of all scrap has metallurgical causes!
Ideal Metallurgical Process Control • Measure essential metallurgical parameters • Interpret actual data • Predict final results • Learn from experience • Adjust according to suggested corrections • Advisory system increases knowledge • Increased awareness / Tutorial ATAS is designed to fulfill these requirements
The Metallurgical “fingerprint” Each melt is an “individual”. The cooling curve can be regarded as its thermodynamic fingerprint.
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 Reduced 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 $
三、铸造热分析系统的组成 图2.热分析系统结构图
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：－40～1300℃， • 价格便宜，热电势高。 • 铂铑－铂：测温范围：0～1600℃，复现性好。
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T＝800℃。 （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
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
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。
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
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：TL＝1669－124×CEL 变换成：CEL＝13.46－0.00806×TL 其中： CEL＝C％＋Si％/4＋P％/2 CE＝ C％＋Si％/3＋P％/3 1964年Moore采用加碲样杯得到几乎相同的关系式： CEL＝13.42－0.00806×TL 目前贺利氏公司使用的关系式： CEL＝14.45－0.0089×TL 2007年4月，本人在维众公司试验得到的关系式： CEL＝13.14－0.0078×TL 可以认为： CEL＝A－B×TL 其中常数A、B随生产条件的变化而改变。
2、铸铁成分的测定（C％，Si％） C％＝A＋B ×TL ＋ C×Teu Si%＝A＋B ×TL ＋ C×Teu 目前贺利氏公司使用的关系式： C％＝0.0178×Teu－0.0084×TL－6.51 Si%＝78.411－0.06831×Teu 表1 加碲样杯的回归方程、相关系数及偏差
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
3、力学性能的预报 共晶度：SC＝3.674-0.0023×TL SC>1,过共晶成分； SC＝1，共晶成分； SC<1,亚共晶成分。 抗拉强度：RM＝（102－82.5×SC)×9.81 布氏硬度：HB＝538.6-354.75×SC 石墨化因素：K＝4/3×Si－2.22/（C＋Si/3）
4、白口倾向、孕育效果和石墨类型 D＝－27×（DT1/DTE）＋26 图2 不同条件的 冷却曲线
