基于連續(xù)介質(zhì)模型的鑄鋼件宏觀偏析缺陷數(shù)值模擬研究.pdf

1、鑄鋼件凝固過程中常常出現(xiàn)宏觀偏析缺陷,導(dǎo)致鑄件各部位的微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生很大差異。宏觀偏析在后續(xù)加工工序中難以消除,將殘留到最終產(chǎn)品零件中,影響鑄件的使用壽命與工作性能,甚至造成安全隱患。然而實驗研究宏觀偏析形成過程中的傳輸現(xiàn)象較為困難,難以保證鑄鋼件產(chǎn)品質(zhì)量,且還存在鑄件開發(fā)周期長、資源浪費大等多種問題。因此采用數(shù)值模擬技術(shù)分析鑄鋼件凝固過程中宏觀偏析的產(chǎn)生,探討宏觀偏析缺陷形成機理以及尋求控制宏觀偏析缺陷的先進(jìn)工藝手段,對提高鑄

2、鋼件產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的科學(xué)與工程實用價值。
　　首先,本文在明確宏觀偏析產(chǎn)生機理及其主要影響因素的前提下,基于混合理論,在連續(xù)介質(zhì)模型的基礎(chǔ)上建立了熱溶質(zhì)自然對流作用下多元合金凝固過程中宏觀偏析缺陷預(yù)測三維耦合數(shù)學(xué)模型。采用有限體積法和提出的修正Projection方法等數(shù)值求解技術(shù),自主開發(fā)了多元合金凝固過程中宏觀偏析缺陷數(shù)值模擬系統(tǒng),并進(jìn)行Benchmark試驗件數(shù)值模擬來驗證模擬系統(tǒng)的可靠性。
　　其次,針對具體的

3、二維與三維鑄鋼件實例,系統(tǒng)地分析了自然對流作用下不同類型宏觀偏析(正偏析,A型偏析,負(fù)偏析)缺陷的形成過程。隨后進(jìn)一步探討了不同網(wǎng)格精度、冷卻速度、鑄件尺寸與形狀,二次枝晶間距對宏觀偏析缺陷形成的影響。其中還對比研究了3.3t大鋼錠實驗與數(shù)值模擬結(jié)果,驗證了鑄鋼件數(shù)值模擬系統(tǒng)的實用性。
　　再次,基于枝晶搭接理論,利用粘度與滲透率轉(zhuǎn)換函數(shù)建立了考慮自由等軸晶移動下多元合金凝固過程中宏觀偏析預(yù)測數(shù)學(xué)模型。對等軸晶移動下二維與三維鑄鋼