1.2.4 高性能鑄鐵多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術(shù)

1.2.4.1 現(xiàn)狀

鑄鐵在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)乃至世界制造業(yè)中占有極其重要的地位，是工業(yè)生產(chǎn)中最為廣泛的一種鑄造金屬材料，在一般的機(jī)械制造、冶金礦山、石油化工、交通運(yùn)輸和國(guó)防工業(yè)等各部門中發(fā)揮著基礎(chǔ)性的作用。雖然現(xiàn)代鑄鐵面臨來自各方面的挑戰(zhàn)，但是等溫淬火球墨鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵及高強(qiáng)薄壁灰鑄鐵和各種性能（如抗磨，減磨、耐蝕等）鑄鐵仍還會(huì)有較大的發(fā)展雖然處于高速發(fā)展中的我國(guó)，鑄鐵將以比世界平均水平高得多的速度增長(zhǎng)。但是我國(guó)高性能鑄鐵所占比例遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，而且性能相比較差，如可鍛鑄鐵產(chǎn)量雖然位居前列，但絕大多數(shù)為黑心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵產(chǎn)量不高。因此實(shí)現(xiàn)鑄造大國(guó)向強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，高性能鑄鐵性能研究較為重要[18]。

材料性能最終取決于其組織形態(tài)，因此研究鑄鐵的性能需重點(diǎn)考察鑄鐵組織（石墨+基體組織），特別是高性能的鑄鐵材料。如鑄鐵的性能很大程度上與石墨的數(shù)量、大小、分布和形態(tài)相關(guān)，尤其是石墨的形態(tài)。當(dāng)基體為珠光體的鑄鐵，石墨由粗片狀（灰鑄鐵）向球狀（球墨鑄鐵）轉(zhuǎn)變時(shí)，則抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及沖擊韌性分別有大幅度的提高。又如：把鑄件加熱到奧氏體化溫度，獲得均勻的奧氏體組織之后，再將鑄件淬入鹽浴，并在鹽浴中等溫停留，奧氏體在等溫停留過程中析出鐵素體組織，從而形成等溫淬火球磨鑄鐵。再如：石墨形態(tài)由蠕蟲狀與團(tuán)球狀以不同比例混合后，其力學(xué)-物理性能介于灰鑄鐵和球鐵之間的蠕墨鑄鐵。因此，如何定量化研究與分析組織形態(tài)的是控制與提升鑄鐵性能的一條重要途徑。數(shù)值模擬是實(shí)現(xiàn)定量化組織形態(tài)分析的重要方法與手段，具有實(shí)驗(yàn)適應(yīng)性強(qiáng)、可重復(fù)性高、成本低等特點(diǎn)[19]。因此在“十三五”期間，需要重要研究高性能鑄鐵凝固與熱處理等鑄造工藝過程組織演變的數(shù)值模擬。

1.2.4.2 挑戰(zhàn)

高性能鑄鐵多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術(shù)，主要是為了掌握高性能鑄鐵石墨與基體組織在凝固及熱處理等鑄造工藝的組織演變規(guī)律，從而達(dá)到定量化控制與提升鑄鐵材料性能的目的。對(duì)于等溫淬火球鐵，需要進(jìn)行鑄鐵熱處理高碳奧氏體及針狀鐵素體組織形成過程數(shù)值模擬研究；對(duì)于球墨鑄鐵，需要進(jìn)行在球化劑與孕育劑作用下石墨球化形貌形成的數(shù)值模擬；對(duì)于蠕墨鑄鐵，則需要進(jìn)行在蠕化劑作用下，蠕蟲狀石墨形成的多尺度數(shù)學(xué)模型及微觀組織數(shù)值模擬。以這三種典型高性能鑄鐵為研究對(duì)象進(jìn)行突破，掌握其規(guī)律后并推廣至其余高性能鑄鐵組織演變過程的數(shù)值模擬中，從而形成高性能鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬的系統(tǒng)技術(shù)。

1.2.4.3 目標(biāo)

（1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)等溫淬火球墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術(shù)，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規(guī)律。

（2）預(yù)計(jì)到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)蠕墨鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術(shù)，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規(guī)律。

（3）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)灰鑄鐵的多尺度宏微觀組織耦合數(shù)值模擬技術(shù)，掌握其凝固與熱處理等鑄造工藝過程的組織演變規(guī)律。

1.2.5 網(wǎng)絡(luò)化智能化鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成技術(shù)

1.2.5.1 現(xiàn)狀

鑄造企業(yè)網(wǎng)絡(luò)制造模式指鑄造企業(yè)按照敏捷制造的思想，采用信息化技術(shù)，對(duì)企業(yè)訂單、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售等資源進(jìn)行靈活高效地整合，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)進(jìn)行協(xié)同集成，提高企業(yè)市場(chǎng)快速反應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)能力的新模式。具體來說，鑄造企業(yè)推行網(wǎng)絡(luò)制造就是推行信息化建設(shè)，加強(qiáng)兩化融合。而當(dāng)前隨著近日李克強(qiáng)總理與默克爾總理簽署了《中德合作行動(dòng)綱要：共塑創(chuàng)新》，網(wǎng)絡(luò)制造已經(jīng)開始走入強(qiáng)調(diào)智能制造的工業(yè)4.0時(shí)代：整個(gè)生產(chǎn)流程都由軟件來控制，包括人機(jī)整合、機(jī)器與外部機(jī)器整合、生產(chǎn)流程與外部合作伙伴整合等[20]。

當(dāng)前鑄造行業(yè)網(wǎng)絡(luò)制造和信息化的現(xiàn)狀總體為：

1）鑄造企業(yè)信息化實(shí)力薄弱；

2）上下游企業(yè)信息集成與協(xié)同管控較少；

3）生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)字化管控與ERP普及率仍有待發(fā)展；

4）整體上進(jìn)入發(fā)展階段，且近幾年呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)；

5）少數(shù)鑄造企業(yè)對(duì)工藝生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行了全面流程化管控，實(shí)現(xiàn)了單件全生命周期追溯。

我國(guó)鑄造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)制造和信息化建設(shè)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）工藝PDM與管理ERP的集成，并與生產(chǎn)質(zhì)量系統(tǒng)形成協(xié)同，做到相互驅(qū)動(dòng)和約束；

2）關(guān)鍵件、重要件做到單件化生產(chǎn)和質(zhì)量的數(shù)字化管理，關(guān)鍵生產(chǎn)過程全過程數(shù)字化監(jiān)控和管理；

3）智能化管理技術(shù)與智能化鑄造裝備；

4）車間設(shè)備數(shù)據(jù)集成與車間在線化管控技術(shù)；

5）產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同集成制造與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

1.2.5.2 挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)化智能化鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成技術(shù)，主要解決鑄造生產(chǎn)流程中實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息如何處理與后期如何分析的問題，從而達(dá)到互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和網(wǎng)絡(luò)化智能化鑄造的目的。實(shí)現(xiàn)該過程則需要從多個(gè)方面進(jìn)行研究，在與硬件結(jié)合方面：智能化鑄造裝備技術(shù)和軟硬件雙向數(shù)據(jù)集成技術(shù)研究，鑄件信息現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別技術(shù)與設(shè)備；在鑄造工藝方面：搭建鑄造工藝知識(shí)庫(kù)，鑄造工藝生產(chǎn)質(zhì)量的數(shù)字化管理與協(xié)同技術(shù)；在管理方面：鑄造生產(chǎn)數(shù)據(jù)柔性化分析理論和系統(tǒng)技術(shù)，鑄造全業(yè)務(wù)流程集成化和產(chǎn)業(yè)鏈集成化系統(tǒng)技術(shù)。在以上技術(shù)逐個(gè)突破的基礎(chǔ)上，開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)化智能化的鑄造工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量集成的軟硬件技術(shù)平臺(tái)，整體實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)流程軟硬件信息智能化集成及柔性化分析[21]。

1.2.5.3 目標(biāo)

（1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：突破傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)流程軟硬件信息交流的技術(shù)難點(diǎn)，通過搭建柔性化信息處理分析技術(shù)系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和網(wǎng)絡(luò)化、智能化的鑄造集成的軟硬件技術(shù)平臺(tái)。

（2）預(yù)計(jì)到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：做到產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)價(jià)值鏈網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化管理系統(tǒng)與車間設(shè)備軟硬件網(wǎng)絡(luò)三個(gè)方面的集成，實(shí)現(xiàn)智能化鑄造和智能化管理。

（3）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，打造若干個(gè)鑄造4.0示范工廠，提升行業(yè)整體實(shí)力。

1.2.6 建立完善的鑄造材料物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)以及

先進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.2.6.1 現(xiàn)狀

材料物性參數(shù)是數(shù)字化鑄造的直接依據(jù)，對(duì)建模與數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性起決定性作用。當(dāng)前階段鑄造過程數(shù)值模擬中應(yīng)用到的材料性能參數(shù)可以劃分為充型凝固模擬用性能參數(shù)、熱應(yīng)力分析用力學(xué)性能參數(shù)以及微觀組織模擬用性能參數(shù)等[22]。具體說來，鑄造過程模擬用的物性參數(shù)包括：材料本身的物理參數(shù)，如密度等；與傳熱有關(guān)的熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱焓（結(jié)晶潛熱）等；和收縮有關(guān)的參數(shù)，如體積收縮系數(shù)和線收縮系數(shù)；和液態(tài)流動(dòng)有關(guān)的參數(shù)，如粘度、表面張力等；和力學(xué)性能有關(guān)等參數(shù)，如楊氏彈性模量、剪切彈性模量、塑性硬化模量、泊松比、屈服應(yīng)力、斷裂應(yīng)力等；和組織變化有關(guān)的參數(shù)，如相變溫度、溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、相圖等；以及和電磁有關(guān)的參數(shù)，如電導(dǎo)率等。

鑄造過程涉及金屬材料、造型/制芯材料、涂料等多種材料，這些材料有著本質(zhì)的不同。這些材料既有金屬又有非金屬，既有固體材料、又有散體材料，還有液體材料。在鑄造過程中鑄件、鑄型或輔助材料的溫度和狀態(tài)都發(fā)生很大的變化。材料參數(shù)還和模擬尺度有關(guān)系。例如某些材料的彈性模量，在宏觀尺度中可認(rèn)為其各向同性；而在介觀尺度，則表現(xiàn)為明顯的各向異性[23]。另外，隨著模擬計(jì)算的深入，涉及多尺度、多物理現(xiàn)象的耦合等，精度要求不斷提高，因此材料性能參數(shù)與對(duì)材料內(nèi)在特性的知識(shí)已經(jīng)不能滿足鑄造過程凝固模擬的需求，甚至阻礙了模擬的進(jìn)一步發(fā)展。但獲得準(zhǔn)確且完整的物性參數(shù)仍然十分困難，這是當(dāng)前影響鑄造過程數(shù)字化的重要因素之一[24]。

為了順利發(fā)展數(shù)字化鑄造技術(shù)，并進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)集成來保證鑄件質(zhì)量以及達(dá)到壽命的預(yù)測(cè)，迫切需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，用來存儲(chǔ)關(guān)于加工工藝和微觀組織的關(guān)系、微觀組織的信息、微觀組織和材料性能的關(guān)系等，用來支持計(jì)算模型的開發(fā)和驗(yàn)證。

圖1 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)路線圖

1.2.6.2 挑戰(zhàn)

我國(guó)在數(shù)字化鑄造方面的相關(guān)配套基礎(chǔ)薄弱，如沒有專門的數(shù)據(jù)庫(kù)、沒有材料數(shù)據(jù)熱力學(xué)計(jì)算軟件，在該方面是完全空白，完全依賴國(guó)外軟件如JmatPro、Thermo-Calc、Pandat等。材料的性能參數(shù)一般在各種手冊(cè)和文章中均可以找到一些，但往往是不全面的、不完整的。同時(shí)對(duì)于同一參數(shù)不同來源的數(shù)值有時(shí)差距很大，甚至相互矛盾。因此如何搜集和整理這些參數(shù)并且進(jìn)行可靠性驗(yàn)證十分重要。數(shù)據(jù)的可靠性可以通過相似材料的相互對(duì)比來進(jìn)行校核。通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算、以及文獻(xiàn)檢索和校核等多種方法可以獲得鑄造材料的物性參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、檢索、引用，為數(shù)字化鑄造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2.6.3 目標(biāo)

（1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：建立標(biāo)準(zhǔn)化的鑄造過程信息分類方法，并以此為基礎(chǔ)建立開放的鑄造材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）預(yù)計(jì)到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：建立先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為獲得精確的材料物性參數(shù)提供技術(shù)支持，并為數(shù)字化鑄造技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

（3）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：以信息學(xué)技術(shù)研究材料不同物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立完善的鑄造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)，面向鑄造行業(yè)全面開放。

1.3 技術(shù)路線圖

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)路線圖見圖1.

［1］ 柳百成，等.集成計(jì)算材料工程（ICME）在高端成形制造行業(yè)應(yīng)用［J］.中國(guó)工程院咨詢報(bào)告，2014.

［2］ 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2016-2020 年 ）.http://www.most.gov.cn/mostinfo/xinxifenlei/gjkjgh/200811/t20081129_65774.htm

［3］ 國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)、中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心.《中國(guó)制造2025》解讀--省部級(jí)干部專題研討班報(bào)告集［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2016.

［4］ The future of Manufacturing.https//www.gov.uk.

［5］ 柳百成.數(shù)字化制造需要新思維［J］.中國(guó)經(jīng)濟(jì)和信息化，2014（6）：18-19.

［6］ 國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)、中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心.智能制造［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2016.

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［9］ B.C.Liu,J.W.Kang,T.Y.Huang.Stress analysis and deformation prediction of a heavy hydraulic turbine blade casting during casting and heat treatment［J］.Materials Science and Technology（United Kingdom）,2012,28（7）:808-811.

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［13］ 許慶彥，陳瑞，柳百成.鋁合金鑄件制造全流程和多尺度建模與仿真［C］//第二屆全國(guó)有色金屬結(jié)構(gòu)材料制備/加工及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)，洛陽(yáng)：2016.

［14］ 李嘉榮，熊繼春，唐定中.先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

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［19］ 沈旭，廖敦明，周建新，等.鑄造CAE技術(shù)及其在鑄鐵件生產(chǎn)上的應(yīng)用［C］//.中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集，2014.

［20］ 延建林，孔德婧.解析"工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"與"工業(yè)4.0"及其對(duì)中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的啟示［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2015，17（7）：141-144.

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［22］ 熊守美，許慶彥，康進(jìn)武.鑄造過程模擬仿真技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［23］ 柳百成，荊濤，等.鑄造過程模擬仿真與質(zhì)量控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

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編寫組

組 長(zhǎng)：許慶彥

成 員：熊守美，周建新，沈厚發(fā)，康進(jìn)武，殷亞軍，計(jì)效園，閆學(xué)偉