熱型連鑄凝固過(guò)程微觀組織形成的數(shù)值模擬.pdf

1、綜述了金屬凝固過(guò)程微觀組織模擬從確定性模型、概率模型到相場(chǎng)法的發(fā)展過(guò)程和方法，以及各種模型存在的問(wèn)題。提出CellularAutomation(元胞自動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱CA)概率模型由于考慮了晶體生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向，具有明確的物理背景，適合于模擬熱型連鑄凝固過(guò)程微觀組織演化過(guò)程。 試驗(yàn)研究了熱型連鑄凝固過(guò)程微觀組織演化機(jī)理。提出在熱型連鑄凝固過(guò)程中組織演化經(jīng)歷了三個(gè)階段，即晶粒迅速淘汰階段、晶粒緩慢淘汰階段和單晶生長(zhǎng)階段。組織演化過(guò)程本質(zhì)上

2、是由液固界面的形狀所控制的，凸向液體的液固界面形狀有利于晶粒的淘汰，得到單晶體，而液固界面的形狀受連鑄速度的影響，隨著連鑄速度的增加，液固界面形狀發(fā)生凸-平-凹轉(zhuǎn)變。 應(yīng)用MonteCarlo方法模擬了單向凝固的組織形成過(guò)程。該方法能夠模擬出單向凝固條件下柱狀晶的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，而且模擬結(jié)果與實(shí)際組織具有一定的相似性。但MonteCarlo方法沒有考慮晶粒的擇優(yōu)取向等定向凝固中的一些關(guān)鍵參數(shù)，缺乏明確的物理依據(jù)。盡管如此，MonteC

3、arlo方法還是可以用來(lái)定性的模擬定向凝固的組織形成，對(duì)于各項(xiàng)工藝參數(shù)的分析提供一定的參考價(jià)值。 應(yīng)用熱型連鑄凝固熱傳輸過(guò)程的顯示交替差分?jǐn)?shù)值模擬方法和微觀組織模擬的CA方法，將宏觀溫度場(chǎng)模擬和微觀組織模擬耦合，建立了微宏觀統(tǒng)一的二維和三維微觀組織模擬耦合模型。采用該模型，針對(duì)純Cu金屬的熱型連鑄，模擬研究了其組織演化過(guò)程及熱型連鑄中各種工藝參數(shù)對(duì)組織演化的影響。研究表明，盡管微觀組織形成的二維模擬結(jié)果能夠反映熱型連鑄凝固過(guò)程組

4、織形成的特點(diǎn)，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，但是二維模擬結(jié)果顯示的是圓柱體鑄棒中心軸對(duì)稱面上的微觀組織，考慮到微觀組織的不對(duì)稱性和隨機(jī)性，二維模擬結(jié)果并不能準(zhǔn)確地反映熱型連鑄凝固過(guò)程組織演化的結(jié)果，更準(zhǔn)確地模擬應(yīng)該不僅能顯示軸向微觀組織，而且也能顯示橫斷面的微觀組織，這就必須進(jìn)行微觀組織的三維模擬，只有這樣，才能完全了解熱型連鑄微觀組織的演化過(guò)程。三維微觀組織模擬，可顯示熱型連鑄凝固過(guò)程微觀組織的晶粒形貌，再現(xiàn)晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程。對(duì)熱型連鑄

5、中不同工藝條件下組織演化的模擬研究表明：連鑄速度對(duì)固液界面的形狀、位置和晶粒淘汰的影響較大。隨著連鑄速度的增大，固液界面由凸向液相區(qū)逐漸變?yōu)槠浇缑嫔踔潦峭瓜蚬滔鄥^(qū)；鑄型溫度增加，晶粒的淘汰趨勢(shì)稍有增大，冷卻強(qiáng)度對(duì)晶粒淘汰趨勢(shì)影響不大，但采用較高的鑄型溫度和相應(yīng)較高的冷卻強(qiáng)度可以保證試棒的表面質(zhì)量和連鑄過(guò)程中不拉漏斷裂；CellularAutomaton模型用于模擬熱型連鑄凝固過(guò)程微觀組織的形成過(guò)程，具有明確的物理意義，得到的結(jié)果與實(shí)際非