吴旭敏[1]2003年在《材料不平衡凝聚非线性行为研究及数值模拟》文中进行了进一步梳理合金材料凝固组织形成过程的数值模拟受到人们的普遍关注，人们期望通过理论计算预报材料的组分、结构与性能。本文针对以往人们在微观研究中缺乏对金属液与型壁接触瞬间结晶行为的探讨，研究了包括金属液结晶初始阶段的温度场、浓度场，揭示了金属液在受到外界刺激瞬间的结晶行为，以及外界刺激的强弱对结晶行为的影响。创造性地提出：实际铸造过程中，金属液的结晶要经历激冷阶段和正常阶段，尤其是铸件边缘的金属液，外界强烈激冷刺激，直接影响到金属液结晶组织的最终形成。文章在试验装置的设计、凝聚过程非线性行为的研究、数据分析软件、凝固过程传热行为的研究、模拟显示方面进行了详细论述。 自行设计、制造测试装置，测试型壁边缘结晶初始阶段的T-t-(?)曲线。这套测试装置具备快速、多通道测试功能，通过使热电偶与铸件金属液保持温度一致，消除热电偶测试开始瞬间的滞后现象；利用高速采样系统，保证测试数据的完整；型腔模具上巧妙利用斜槽，保证多次试验金属液的确定量，使测试结果具有重复再现性。除本课题研究应用外，其原理可以运用于实际生产的快速监测，炉前检验等方面。 在非线性行为的研究中，通过分析试验数据，证实了初晶结晶前沿存在温度振荡现象和多重态现象。温度振荡现象的提出，解释了等温面上不同位置的波动现象，为结晶控制方程中的波动行为提供了理论依据。同样在研究中证实金属液结晶过程中存在合金凝固的多重态现象，这是我们通过改变外界刺激，得到目标中的组织结构实施方法的理论依据。在实施模拟过程中，结合了形核与生长过程的随机性与确定性，用一随机数字来判断形核位置，这正是系统混沌行为的体现。 自行编制数据分析软件，对试验所得的大量数据进行综合分析研究。分析软件不仅具有友好的人机对话界面，而且能够满足课题对于数据分析的特殊要求，软件可以进行包括直线、双曲线、幂函数、对数函数、指数1、指数2、根号函数、s曲线、二次多项式、三次多项式、四次多项式等11种曲线函数的拟合，并同时显示相关系数和方差值，以供对曲线的使用度进行筛选；软件实时显示拟合曲线，直观明了地判断拟合曲线与实测曲线的吻合程度；在拟合曲线段的选择上，可以通过鼠标拖动或输入位置坐标两种方式，武汉理工大学博士学位论文兼顾了粗略判断和精确选择两方面;软件在数据分析上除了单变量拟合，还可以实施多变量的拟合，扩展了多项式的拟合范畴。 经过试验测试和数据分析，首次提出金属液整个结晶过程分成两个阶段:I段是金属液内部在受到外部刺激后的一个紊乱重组过程，文章中也称激冷阶段;11段是金属液在经过重组后，按正常冷却凝固的过程，文章中也称正常结晶阶段。I段的初晶、共晶结晶都没有完成。这一结论得到了试验的证实，并给出了激冷阶段固相率的计算式。创造性地提出“55”图。利用“55”图分析铸件不同部位的最终结晶组织，得到了激冷组织的层状分布特点:只在铸件最边缘部分，激冷组织特性会保留至凝固全部结束，而其它部位激冷组织则在随后的正常结晶过程中或完全熔化，或成为晶体生长的晶核。 将控制理论引入材料结晶过程的温度场计算中，利用控制理论中的二阶数学式，描述表面激冷区的卜尸关系。用动态响应和动态矩阵控制算法共同描述等温线在时间方向的偏移，从而预测等温线，以此描述激冷作用对合金材料表面凝聚过程的影响。文章给出合金的T一卜尸的函数表达式:!，n“，Lln(t)=(In(t)_o+A)”=(In(t)_o+A)”+In(Cx+D)，x之x，式中In(t)_0=l一e一和·x了厂歹sin(to，迈几几+arctan亚互… 芬 利用凝聚控制方程计算温度场，将传统计算方程中大量的物性参数，转化为系统的固有频率。，、系统的相对阻尼比‘、惯性指数(A、B)和线性段因子(C、D)，这些参数可以通过我们的试验装置和数据分析系统一次得到，大大简化了由于不同合金迥异的物性参数所带来的计算上的不便。 创造性地提出用“形”的概念，建立圆形、完全形和“T”字形三类枝晶“形”的子集，全面描述初晶在截面上的各种形状，在满足完整模拟晶体生长过程的条件下，减少了模拟过程对计算机存储量的要求;利用VisualBasic6.O语言编程，通过对初晶形成界面及各等温面的断面模拟，立体地显示结晶过程的枝晶形貌。
李文珍[2]1995年在《铸件凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究》文中认为铸件凝固过程中微观组织形成的数值模拟研究是铸造学科前沿的研究课题。本文根据国家自然科学基金重点项目的要求,选择球墨铸铁件微观组织形成模拟作为主要研究方向。同时,从微观模拟的角度研究了球铁件缩孔缩松预测。此外,对铸钢件缩孔缩松的定量预测进行了较深入的研究。 球墨铸铁作为一种重要的工程材料,其微观组织形成和铸态机械性能与工艺因素有很大关系,如果能在设计阶段就对其微观组织形成和性能进行模拟预测和优化,具有很重要的工程意义。本文首先通过实验研究了球铁微观组织形成与工艺因素的关系,测定了试样的铸态机械性能,得到了微观组织与机械性能关系的数学模型。在实验基础上,根据结晶动力学理论,建立了球铁凝固过程各阶段微观组织形成的数学模型,其中首次提出了石墨球生长的扩散-界面控制模型。根据结晶动力学模型,用C语言实现了球铁微观组织形成的计算机模拟。通过模拟计算确定了晶粒长大过程中的碰撞因子,并从理论上给出了各相形成的相加性证明。模拟了试验铸件的微观组织及机械性能并与实测数据进行了比较,结果表明两者吻合较好。 基于球铁微观模拟的结晶动力学模型,建立了球铁凝固过程中的体积变化模型,提出并实现了定量预测球铁缩孔缩松形成的一种新方法-微观模拟法。该方法首次将微观模拟和缩孔缩松预测耦合,可同时进行微观组织形成模拟和缩孔缩松预测。对T形球铁试块的缩孔缩松形成进行了模拟计算并与用收缩膨胀动态叠加法模拟的结果进行了对比。结果表明,用微观模拟法预测的缩孔缩松的体积大小和分布,其精度高于收缩膨胀动态叠加法。而在缩孔缩松的形状方面,两者预测结果一致并与实测吻合。 综合考虑冶金和工艺因素的影响,进行了铸钢件缩孔缩松形成的试验研究。在实验基础上,提出了铸钢件缩孔形成的三维定量模拟法-等效液面下降法。采用G/2~(1/R)判据预测缩松。该方法在计算过程中,可对边界条件进行重新设置,并首次采用体绘制技术进行缩孔缩松预测结果的后处理。通过对试验铸件的模拟计算,确定了G/2~(1/R)的临界值为0.8。在本文的研究条件下,该临界值与冶金和工艺因素无关。 对实际生产中的球铁件微观组织特别是铸钢件缩孔缩松形成进行了大量模拟计算及生产验证。结果表明,用本文所开发的软件可以对现行工艺设计方案进行评价,对新的工艺方案进行优化设计,并已在生产实际上取得显著的经济和社会效益。
刘静[3]2006年在《金属凝固过程微观组织形成的相场法模拟研究》文中研究指明相场法是凝固微观组织模拟的有效方法，本文利用相场法微观组织数值模拟技术，基于自由能泛函相继推导了纯金属相场模型、二元单相合金的等温凝固相场模型和非等温凝固相场模型。相场模型中考虑了界面的各向异性，并引入了诱发侧向分支的扰动项。使用有限差分均匀网格剖分技术将推导出的相场模型进行离散。采用显式差分算法(Euler算法)对相场模型中的相场控制方程和溶质场控制方程进行离散。为了避免时间步长的限制，提高计算效率，采用交替方向隐式差分算法(ADI算法)对温度场控制方程进行离散。 采用Visual Fortran 6.0为编程语言在Windows XP下编制了二元单相合金枝晶生长的模拟计算程序，对丁二腈—5at％水合金的凝固微观组织的形成过程进行了数值模拟，并利用Array Visualizer软件实现了模拟结果的可视化。定量研究了各向异性系数γ、热扰动强度α和空间剖分步长Δx对枝晶生长行为的影响。结果表明，各向异性系数γ为0或者取值较小时，等轴枝晶形貌就不会产生。各向异性系数γ取值过大则会引发枝晶变异。当各向异性系数γ的取值在0.02～0.05之间时，模拟结果与实际情况比较吻合；对不同热扰动强度α下的枝晶演变过程进行模拟，结果表明1％的热扰动强度能更好的促进枝晶侧向分支的生长；空间步长Δx对于模拟结果的影响较为显著，当空间剖分步长Δx的取值在0.2W～0.8W之间时，模拟结果与实验结果比较接近。 在合理选择以上关键参数的基础上，分别对等温凝固条件下和非等温凝固条件下的丁二腈—5at％水合金的凝固过程进行了数值模拟，直观再现了枝晶生长过程中侧向分支的竞争生长、熟化过程和溶质偏析。着重研究了在非等温凝固条件下，过冷度Δθ以及反溶质截流项(?)_(at)对过冷合金熔体凝固过程的影响。结果表明，低过冷度下，等轴晶周围厚的热扩散层抑制了其侧向分支的生长，呈现无侧向分支的形貌，而在高过冷度下薄的热扩散层有利于侧向分支的生长，等轴晶呈现束状侧向分支的形貌；加入反溶质截留项(?)_(at)后，就相当于人为的增大了实际界面厚
冯力[4]2009年在《多元合金凝固微观组织的相场法模拟研究》文中研究表明铸件的力学性能优劣和使用寿命主要取决于铸件在凝固过程中所形成的微观组织,有效地控制铸件成型过程中微观组织的形成具有非常重要的科学与工程意义,但是由于成型过程需要控制大量的参数,全部用实验手段不太现实,因而微观组织演化过程的数值模拟为铸件成型控制和多元合金材料的研制提供了一个有效的新途径。微观组织的数值模拟可以有效地降低新合金材料的开发成本,缩短开发周期,少量的实验既可达到合金的凝固组织预测和力学性能控制,又可获得主要工艺参数与合金凝固组织的定量关系,为成型过程的工艺控制和合金凝固组织的改善提供了可靠依据。相场法是一种计算技术,它能使研究者直接模拟微观组织的形成。相场模型中包括一组描述温度场、浓度场和相场有序参数的方程,相场法借助相场与其它外部场的耦合,在金属充型和凝固过程中,有效地将微观与宏观尺度相结合,能够比较真实地模拟凝固过程。在参阅国内外相场理论的基础上,完善二元合金凝固过程中枝晶生长的二维相场模型,在模型中考虑溶质扩散与各向异性对枝晶形貌的影响,考虑固-液界面存在的大量结构起伏和能量起伏对组织生长的影响,并对微观组织形成模拟中的若干现象进行分析和讨论。在单晶粒生长的相场模型的基础上,引入方向系数,提出了二元及多元合金多晶粒生长的相场模型。推导分析多相场共晶生长的相场模型,实现合金共晶组织生长过程的模拟。讨论了相场方程的时域离散与空间离散,优化了相场法数值模拟的初始条件、边界条件、稳定性条件及其数值求解方法。基于交互式大型工程测试和复杂数值计算结果的可视化工具Tecplot,采用Visual C++自行编程将计算结果数据转换成Tecplot标准输入文件,实现了相场法微观组织模拟的可视化软件系统。该系统既可有效处理计算中相关的复杂数据结构,还可实现计算结果的逼真显示及图象和动画的处理,方便地分析模拟结果的特征、规律。使用提出的二元合金多晶粒生长的相场模型,以Al-Cu合金为例,模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程。研究了二元合金凝固过程中多个晶粒枝晶的竞争生长机制。观察分析了多个枝晶与单个枝晶生长形貌的差别、晶粒之间的溶质分布状况。结果表明：在枝晶生长的初期,各个枝晶之间还没有相互影响的时候,枝晶的生长都和单个枝晶生长的情况相同,符合经典理论。在枝晶生长的后期,由于枝晶间的相互影响,枝晶的生长形貌不再符合Ivantsov理论。晶粒在生长的过程中释放出潜热,潜热使得该区域过冷度较低,导致主枝晶向过冷度大的区域生长,最终造成主枝晶的抑制和弯曲。由于凝固过程的溶质再分配,溶质富集在枝晶生长的界面前沿。溶质富集在这些区域,造成这个区域的熔点降低,从而导致实际过冷度的减小,使得这些区域凝固的比其他区域晚,最后形成晶界。使用提出的多元合金多晶粒生长的相场模型,以Al-Cu-Mg合金为例,模拟了多元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程。研究比较了Al-Cu合金和Al-Cu-Mg合金在相同凝固条件下微观组织的变化。结果表明：多元合金多个晶粒共同生长时与二元合金类似,有竞争生长的现象,溶质富集在枝晶生长的界面前沿等区域。多元合金的各种溶质在溶剂(基体)中的扩散系数越大,溶质在晶粒中的分布越均匀。定性的展现了孕育剂细化晶粒机制对Al-Cu-Mg晶粒的形状和尺寸的影响、合金之间的合金成分和微观组织的关系(Al-Cu合金vs.Al-Cu-Mg合金)。合金成分的改变并没有十分明显的改变枝晶的形貌,初始晶核数量的大小对枝晶形貌有很大的影响。在Al-Cu-Mg合金中Mg改变了溶质Cu晶粒中的分布,加重了晶粒中Cu的溶质偏析。在多元合金多晶粒生长的相场模型的基础上耦合温度场,提出了一个多元合金多晶粒非等温生长的相场模型,并对Al-Cu合金与Al-Cu-Mg合金的凝固进行模拟,研究分析了其微观组织形貌的变化,以及温度场、溶质场的分布。结果表明：在忽略温度梯度的情况下,凝固时潜热的释放使凝固界面前沿的液体温度升高,由于枝晶生长的速度要大于热量传递的速度,使热量在凝固界面前沿累积,因此造成凝固的前沿上温度最高,、后凝固的区域要比先凝固的区域温度高。在模拟中加入了冷却速度和外部温度梯度,外部温度梯度随着晶粒的生长发生变化,这是由凝固潜热和热量传递造成的。初始温度不同,对凝固的速度有很大的影响,过冷度越大,模拟区域的固相率越大,凝固速度越快。推导分析了多相场共晶生长的模型,使用该模型模拟研究了CBr4-C2C16合金凝固过程中共晶组织的演化。结果表明：初始共晶层片和过冷度等参数选择适当时,共晶层片保持稳定界面,平行向前生长。在凝固前沿由于溶质再分配和溶质在液相中不能及时的扩散均匀,导致与理论计算的浓度值相比,在已凝固的区域中α相中的溶质浓度偏高、β相中的溶质浓度偏低。
王同敏[5]2000年在《金属凝固过程微观模拟研究》文中指出金属凝固组织形成计算机模拟（Simulation of MicrostructureFormation(SMF)(?)，也称做凝固过程微观模拟（Micro-Modelling），是相对于凝固过程宏观模拟而言的，具体是指在晶粒尺度上对金属凝固过程进行模拟。 本文提出两种溶质计算模型：a，修正Scheil模型，也即在溶质平衡分配系数κ的基础上乘以一个修正系数β，从而来考虑固液界面前沿对流对传质的影响；b．直接与微观模拟相关联的溶质场计算模型，以直接差分法计算溶质扩散，以实际溶质分配系数模型计算发生液固相变时的溶质再分配，液固转变信息直接来自于微观模拟结果，该模型能够较好地模拟凝固前沿的溶质再分配和晶粒、晶界上的溶质偏析。 应用Monte Carlo法对凝固过程的形核和生长进行了模拟，以能量最小原理为基础，考虑体积自由能和界面能的定量影响，建立了晶粒生长概率模型。另外，在晶粒择优生长方向上施加各向异性强度因子来考虑晶粒生长的择优取向因素，使得模拟组织图象更趋近于实验观察结果。 假定晶粒的生长形状呈四边形，并具有一定的择优取向，基于这样的假定，提出了修正的Cellular Automaton晶粒生长模拟技术。通过判断点（单元）与四边形（晶粒）的位置关系，建立了简单的晶粒生长局部演变规则，克服了 Rappaz提出的Cellular Automaton技术必须矫正晶向的不足。枝晶尖端（四边形的顶点）生长动力学采用KGT模型计算。 结合宏观热流计算和微观组织模拟，确定模型和概率模型，首次提出了以Cellular Automaton技术为基础并辅以Monte Carlo法修正生长的CAMC宏微观藕合模拟技术。CAMC技术综合运用 Cellular Automaton技术和Monte Carlo法，扬二者之长避二者之短，以CA模拟技术搭起晶粒生长骨架，MC法则在内部进行辅助生长，体现枝晶分枝机制。该模拟技术能够定量地描述晶粒的数目、尺寸和形貌的演变过程，从而能够很好地模拟金属凝固组织的形成过程。 针对微观模拟计算量大的特点，首次提出了局部区域模拟法，并相应地解决了整体区域和局部区域之间的数据映射、局部区域的边界处理、局部区域模拟结果的放大显示等问题。该方法通过仅对关键的局部区域模拟而有效地节省了计算量。另外，通过化整为零，分块区域模拟然后再粘贴的方法，可实现对较大铸锭的凝固组织模拟。 采用液固界面实时跟踪技术，获得凝固组织典型三区的分界线，从而也能够容易地得到CET转变分界线。基于数据库技术的随机抽样法，实现了单元信息在数据库中按编号存取，大大降低计算机内存消耗，并使数据管理更为方便，快捷。 针对川＊．5％CU合金在水冷铜铸型中的凝固过程，进行了实验研究，改变的实验参数是浇注温度和冷却水流量。同时对各实验过程进行同步微观模拟，以验证微观模拟模型的正确性。
唐瑞春[6]2004年在《球墨铸铁微观组织模拟仿真》文中研究说明球墨铸铁件作为重要的工程材料，在当今的很多国家的铸件产量中有较大的比例并且生产技术也达到了一定的水平。但由于铸造过程中的复杂性使得球墨铸铁件的质量仍然存在着很多的问题。为了更好地控制其生产质量，本文根据生产实际及当前的关于球型石墨、晶体方面的形成、生长理论，结合先进的计算机技术，对金属凝固过程的微观组织进行了计算机模拟仿真，也称为凝固过程微观模拟，这个名称是相对于凝固过程宏观模拟而言的，具体是指在晶粒尺度上对金属凝固过程进行模拟仿真。本文根据热力学、凝固原理等理论，建立了凝固过程中热传递、溶质传递和石墨球、奥氏体的形核、生长进行模拟，以能量最小原理为基础，考虑体积自由能和界面能的定量影响，建立了晶粒生长概率模型。根据所建立的模型，采用了Microsoft Visual C++6． 0开发平台开发了相应的三维模拟计算程序和二维动态显示程序。针对微观模拟计算量大的特点，本文采用了局部区域模拟法，并相应地解决了整体区域和局部区域之间的数据映射、局部区域的边界处理、局部区域模拟结果的放大显示等问题。该方法通过仅对关键的局部区域模拟而有效地节省了计算量。针对球墨铸铁(成分为：碳含量为3． 7％、硅含量为3． 3％、锰含量小于0． 4％)在砂型中的凝固过程，进行了实验对比研究。使用编写的模拟仿真软件对实验过程中的微观组织进行了模拟，并把模拟的计算结果与实验结果进行了对比，二者基本吻合。
李文艺[7]2016年在《钛合金激光快速成形熔池凝固晶粒生长机理研究》文中研究表明激光快速成形制造技术现今得到了迅猛发展,但目前对于激光快速成形过程中熔池的高温性不平衡性快速凝固过程的研究和理论尚不清晰。激光快速成形件中熔池的微观组织对工件的机械力学及综合使用性能有着重要影响。快速成形加工工艺参数如激光功率、扫描速度等决定熔池的宏观温度场、流场等,其中熔池存在的过冷度驱动液态金属的凝固,液态金属的流动影响熔池形貌及晶粒的生长,共同作用形成熔池的微观形貌。激光快速成形具有非平衡高温瞬时性,目前通过实验实时观察检测和研究熔池中微观组织的生长演变过程难以实现。因此,激光快速成形熔池凝固过程中微观组织的生长演变的模拟方法研究成为前沿主题。目前对熔池凝固过程中的温度场、流场等宏观物理场的模拟取得丰硕的成果。但对于TC4钛合金激光快成形熔池凝固微观组织的生长演变数值模拟大多处于起步阶段,尚未有较为成熟的模拟成果公开发表。本文采用元胞自动机法与有限元法相结合的技术,构建了宏观-微观耦合CAFE(Cellular Automata-Finite Element)模型,对TC4激光快速成形熔池的微观组织生长演变过程进行了模拟,结合理论模拟和激光快速成形实验分析研究熔池微观组织凝固机理。FE法主要用于模拟熔池的温度场、流场等复杂宏观物理场量。基于宏观有限元的模拟结果,然后用CA法模拟熔池凝固过程中微观组织的形核生长及演变过程。激光快速成形过程中熔池温度场初始时呈对称状,之后出现拖尾现象;熔池内液态金属则由熔池中心出发向熔池底部边缘呈环形流动。结合激光快速成形实验、测温实验和微观组织金相偏析等实验,测量记录不同工艺参数下熔池微观组织及温度,得到过冷度、冷却速率、元素分布含量和显微硬度等结果,并构建激光工艺参数与过冷度、冷却速率、温度梯度的数学关系,分析快速成形加工时激光工艺参数对熔池凝固过程的影响。对比实验结果,结果显示模拟结果和实验结果基本吻合,熔池由粗大的β柱状晶组成,晶内组织为'?针状马氏体,初步探究熔池凝固晶粒生长机理。
康永生[8]2017年在《Fe-C合金枝晶生长过程的相场法模拟研究》文中提出枝晶作为金属晶体中的最基本结构,枝晶的生长过程对于金属铸件凝固组织的形成具有决定性作用。微观组织数值模拟作为一个新兴科学,由于其在金属枝晶生长及铸件成形过程模拟上拥有的独特优势而备受关注,它不仅能够有效地补充、完善金属凝固理论,而且能够指导实际生产从而降低工艺改进的成本。本文利用改进的相场模型对Fe-C合金进行了以下几个方面的研究。(1)利用改进的相场模型进行了枝晶生长过程的三维模拟。在相场理论的基础上,研究了相场模型参数(包括界面厚度、弛豫时间等)对于枝晶生长过程及最终形貌的影响,并确定合适的相场模型参数。(2)对等轴枝晶生长过程中枝晶尖端参数进行了分析,模拟结果与现有枝晶生长理论以及实验结果相一致。同时通过控制枝晶尖端过饱和度实现了成分过冷对枝晶尖端参数影响的定量化分析研究。(3)对等温凝固过程中等轴枝晶的生长过程进行三维模拟。利用耦合界面能各向异性的相场模型,研究了界面能各向异性对于枝晶生长过程的影响,并成功地模拟出Fe-C合金等轴晶生长过程中所存在的枝晶取向转变过程。(4)对定向凝固过程中枝晶的生长过程进行了分析,主要研究了推进速度、温度梯度对定向凝固过程的影响。通过调整定向凝固模拟过程中合金界面能各向异性系数实现对于不同含量的Fe-C合金定向凝固过程研究,成功模拟出定向凝固过程中所形成的的液相通道以及对应的溶质偏析现象,并系统的研究了定向凝固过程参数对于液相通道的形成以及整体枝晶形貌的影响。
窦坤[9]2016年在《钒微合金化钢连铸方坯凝固特性与组织性能研究》文中进行了进一步梳理自从钢的微合金化技术问世以来,微合金化钢在交通、建筑及机械制造等各个领域获得了广泛的应用。鉴于钢种成分的特殊性,钢中第二相粒子的析出是微合金钢质量的主要制约因素。国内外众多研究者对微合金化钢加热及轧制过程进行了深入研究分析并取得了较好的应用效果。然而,微合金化钢轧制成品的质量在很大程度上取决于其对应铸坯的凝固质量。若连铸过程冷却工艺控制不当,极易造成连铸坯产生裂纹、偏析等凝固缺陷并最终遗留至终轧成品造成轧材边裂、带状组织等缺陷。因此,有必要针对微合金化钢连铸坯凝固冷却过程中的凝固特性与组织性能进行研究,深入分析连铸过程中的铸坯组织演变规律与第二相粒子析出的相关作用关系,阐明连铸坯凝固缺陷的形成机理,最终为微合金化钢连铸过程冷却工艺优化奠定基础。为此,本文以钒微合金化钢YQ450NQR1连铸方坯为对象,针对其连铸过程凝固特性与组织性能进行了系统研究与深入分析。针对YQ450NQR1钢连铸方坯的高温性能,通过差示扫描量热法结合计算材料学相关方法确定了YQ450NQR1钢的液相线温度为1511℃,固相线温度为1466℃；在考虑微合金元素含量变化的条件下,运用热模拟方法对不同温度下YQ450NQR1钢连铸方坯的断面收缩率及应力-应变曲线进行测定,研究发现：当YQ450NQR1钢中的[%V][%N]从1.5×10-3增加到2.02x 10-3时,奥氏体再结晶温度从950℃提升至1000℃,钢的塑性槽由700℃～917℃扩展至700℃-970℃。对于YQ450NQR1钢,在热制度不变的条件下,塑性槽的高温端温度受第二相粒子的开始析出温度影响,塑性槽的深度受第二相粒子的体积分数的影响,而塑性槽的宽度取决于大量晶内铁素体的形成温度。针对YQ450NQR1钢方坯在结晶器附近区域初始凝固过程中冷却速率变化幅度大、内裂纹敏感性高这一特点,结合实际钢种成分和工艺条件建立了溶质微观偏析模型,并结合相关文献及元素偏析度原位分析对该模型进行了验证,分析了冷却速率对方坯凝固过程溶质元素C, Si, Mn, P, S的微观偏析行为及凝固过程零强度温度ZST,零塑性温度ZDT和黏滞性温度LIT的影响机制。在此基础上,针对冷却速率(CR)与零塑性温度(ZDT),零强度温度(ZST)以及黏滞性温度(LIT)分别进行非线性拟合,建立了描述冷却速率与各凝固特征温度的定量模型并根据ZDT, ZST及LIT的相互关系提出了内裂纹敏感性指数IICS,最终构建了YQ450NQR1钢方坯内裂纹敏感性模型。针对YQ450NQR1钢连铸方坯矫直过程中表面横裂纹发生率较高与非平衡固态相变的紧密联系,通过Gleeble热模拟实验机、热膨胀仪、高温共聚焦显微镜、扫描电镜结合能谱仪研究了YQ450NQR1钢连铸方坯冷却过程中的γ→α相变和第二相粒子析出规律及其对高温热塑性的影响机制,阐述了冷却速率变化对YQ450NQR1钢固态相变的影响,运用多元非线性回归方法得到了α析出量与冷却速率、α析出所用时间及a相开始析出温度之间的定量关系。通过研究可知,连铸过程中微合金元素V对促进铁素体析出的作用主要体现在两个方面：(1)V(C,N)充当孕育粒子促进了晶界铁素体的形核。(2)V(C,N)析出过程中奥氏体晶界附近形成溶质贫化区,其存在导致奥氏体晶内局部C元素浓度降低,促进了丫→α相转变。为了研究YQ450NQR1钢连铸冷却工艺参数对铸坯凝固组织及溶质元素偏析的影响作用,运用元胞自动机-有限元法建立了YQ450NQR1钢方坯宏观传热-凝固组织生长耦合模型,研究了不同钢液过热度、二次冷却强度条件下方坯中心等轴晶率和平均晶粒尺寸的变化规律。在深入剖析YQ450NQR1钢连铸过程凝固特征及组织演变规律的基础上,以优化铸坯凝固组织结构与提高铸坯表层微观组织强度为目的,提出了YQ450NQR1钢连铸冷却精益控制策略“低过热度浇注+二冷三区弱冷十二冷四区强冷”,并进一步制定了相应的控制方案,即“过热度23℃(原过热度37℃),二冷三区水量2.6L/min(原二冷三区水量51.5L/min),二冷四区水量165.6 L/min(原二冷四区水量18.4 L/min) ",构建了基于YQ450NQR1钒微合金化钢特性的连铸二次冷却调控新机制。综合考虑到YQ450NQR1钢在后续轧制过程中变形复杂,流变应力变化剧烈的特点,通过热模拟实验获得了不同的压下量(30%、60%)、应变速率(1/s、10/s、30/s)和变形温度条件下的YQ450NQR1钢流变应力曲线。在此基础上,建立了YQ450NQR1钢流变应力预测模型。通过与实验数据进行对比分析可知,预测流变应力值与相同条件下的实测值之间相关性系数为0.998,平均相对误差为8.40%。模型的预测精度较高,可为YQ450NQR1钢热轧过程轧制力的确定及热轧工艺参数的制定提供参考。
王海南[10]2001年在《热型连铸过程微观组织的计算机模拟》文中认为本文研究了热型连铸过程中微观组织的演化过程，以及各种工艺参数对组织演化的影响。采用宏观-微观耦合的方法，建立了宏-微观统一的数学物理模型，模拟了热型连铸过程中晶粒的竞争生长过程，以及不同工艺参数对固-液界面形状及晶粒竞争生长的影响。 宏观模拟方面，采用温度回升法处理结晶潜热，用内节点直接差分法进行温度场的数值计算。微观模拟方面，根据高斯形核模型处理形核问题，考虑了枝晶的优先生长方向和枝晶尖端的生长动力学，采用改进Cellular Automaton算法处理晶粒的生长。本文根据定向凝固的特点，提出了用于定向凝固宏-微观耦合模拟的界面跟踪耦合算法（动态宏-微观耦合算法），该算法根据凝固界面的推进动态的确定微观模拟区域，极大提高了定向凝固宏-微观耦合模拟的计算效率。本文应用已建立的模型，在C++Builder开发平台上编制了模拟软件，在计算机屏幕上动态的再现了热型连铸过程晶粒的淘汰过程。 实验和模拟结果表明，热型连铸过程中，连铸速度对固液界面的形状和晶粒的竞争生长影响较大；冷却条件对固液界面的形状影响不大，但对晶粒的竞争生长影响较大；其它工艺参数对固液界面的形状及晶粒的竞争生长也有一定影响，但影响不大。结果表明，采用宏-微观耦合的方法模拟热型连铸过程中微观组织的演化过程，模拟结果与实验结果是非常吻合的，采用计算机模拟的方法研究凝固过程中微观组织的形成以及各种工艺参数对组织形成的影响是有效、可行的，是研究凝固过程组织形成规律的一种重要的方法。
参考文献：
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