基于体积平均法的NH4 Cl水溶液凝固行为研究

根据合金凝固理论和体积平均多相模型,对NH4 Cl-70%H2 O凝固过程进行了数值模拟和实验验证。虽然研究者已研究过NH4 Cl-70%H2 O凝固过程,但是只针对单个现象进行分析,比如通道偏析的形成、对流形式以及晶粒的形成。在前人研究的基础上,本文首次通过数值模拟和实验对比两种手段相结合的方式全面地研究了氯化铵水溶液凝固整个计算域的全部现象,尤其再现了等轴晶在铸锭中的下落漂移现象以及由此引起的对流,并且更深入地探究了偏析的形成原因。通过计算发现等轴晶从型壁处沉降并逐渐向铸型底部积聚,直到体积分数达到一临界值后,柱状晶停止生长,完成柱状晶向等轴晶转化过程。由于溶质再分配,底部晶粒集中的区域形成了负偏析,在尚未凝固的上部区域形成较大范围的正偏析。通过实验验证发现,等轴晶在铸锭中的下落漂移现象和对流形式的预测值与实验值较为一致,从而全面揭示出凝固过程中固相的移动和对流是产生宏观偏析的关键因素。     

管线钢连铸板坯的半宏观偏析和凝固组织

研究了不同凝固组织下管线钢的中心偏析情况.低倍组织腐蚀结果表明,连铸板坯的中心偏析由相对独立的、大小不一的半宏观偏析点组成,且不同凝固组织的半宏观偏析特征有所差别.化学成分分析表明,中心等轴晶时板坯中心为负偏析,且贯穿于整个等轴晶区中,而中心为柱状晶时则表现为正偏析.通过对比化学成分和半宏观偏析面积比发现,板坯的半宏观偏析面积比随C和Mn最大偏析度的增加而增加,由于化学成分分析只能反应局部位置的偏析情况,因此半宏观偏析面积比的方法对生产实践更具有指导意义.对不同过热度下不同凝固组织的半宏观偏析面积比的统计结果显示,在合理使用轻压下技术的前提下,中心为柱状晶更有利于减轻半宏观偏析面积比,进而改善管线钢连铸板坯的中心偏析.     

机械搅拌对Al及Al-Cu合金铸锭组织和宏观偏析的影响

研究表明,机械搅拌驱使液态金属作圆周运动,提高了凝固前沿的温度梯度,降低了凝固速度,缩短了柱状晶区宽度,扩大了等轴晶区并细化了等轴晶,同时还促使柱状晶发生倾斜,缩短了一次,二次枝晶间距,并形成了特有的宏观偏析,这种偏析特征与流体流动规律,溶质密度密切相关。     

连铸板坯全冶金长度凝固形貌

采用移动边界法计算低碳钢连铸板坯全冶金长度温度场,利用CAFE耦合模型模拟其凝固行为,考察过热度和拉坯速度对板坯宽面中心温度、横断面微观组织形貌及二次枝晶臂间距等影响,并计算二次枝晶臂间距与冷却速度关系及碳元素中心偏析。研究结果表明:过热度和拉坯速度降低均能使宽面中心温度和中心二次枝晶臂间距下降,而拉坯速度的影响更为显著;拉坯速度越高中心等轴晶率越高,晶粒半径越小,利于提高连铸板坯质量,过热度对中心等轴晶率及晶粒半径影响较小;二次枝晶臂间距在固液两相区生成并增大,二次枝晶臂间距与冷却速度之间呈指数关系;连铸板坯中心偏析区域呈岛状分布在中心线上,最大偏析指数为1.14,中心部位负压抽吸临近枝晶间富积溶质钢液导致中心线附近形成负偏析。     

超声铸造7050铝合金的微观组织和宏观偏析规律

采用不同功率超声对铝熔体进行处理,研究超声场对7050铝合金凝固组织和宏观偏析的影响规律.结果表明:超声振动产生的空化效应和声流效应影响熔体的凝固过程,合理功率的超声能有效细化晶粒、优化组织及改善宏观溶质分布.当超声功率达到170 W时,铸锭径向宏观偏析的弱化效果最好,Zn、Mg和Cu的偏析指数分别为0.0593、0.0565和0.0319;超声功率超过170 W,溶质元素在中心区域富集量显著提高,宏观偏析程度增大.     

连铸坯凝固晶粒生长的元胞自动机模型

首次将元胞自动机(Cellular Automata, CA)方法和有限差分法结合起来,建立了连铸坯凝固时内部等轴晶和柱状晶的随机形核和晶粒生长模型。结合某钢厂实际生产情况,对实际工况下连铸坯凝固组织进行模拟,再现了连铸坯内部组织的演变规律,发现晶粒呈现等轴晶〖XC半字线.tif,JZ〗柱状晶〖XC半字线.tif,JZ〗等轴晶的转变,以及不同工艺制度下3个晶层的厚度情况,表面激冷层和中心等轴晶层厚度随拉速增加而减小,随下钢水过热度降低而增大,但柱状晶层厚度却随拉速和钢水过热度的增加而增加。仿真结果对晶粒的随机形核、晶粒的择优生长、竞争生长以及晶粒的随机取向都有比较好的体现。     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Euler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用Hash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。模拟结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对Al4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Eu ler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用H ash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对A l4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

双辊薄带凝固过程的宏观-微观耦合数学模型

以热焓法处理结晶潜热和以假设的流线边界划分网格节点,在对KGT枝晶生长动力学模型进行修正的基础上,引入异质形核模型和柱状晶等轴晶转变(CET)模型,建立了双辊薄带凝固过程的宏观-微观耦合数学模型.同时,以固相分数为媒介,采用宏观微观不同的网格尺寸和时间步长,通过对柱状晶生长前沿的追踪,实现了宏观-微观模型的耦合求解.实验表明:数学模型预测的薄带凝固组织中的柱状枝晶间距和取向度与实测值基本吻合,说明所建数学模型是可靠的,可用此模型研究工艺因素变化对薄带凝固组织的影响.     

铈对高锰钢奥氏体胞晶稳定性及锰的枝晶偏析的影响

作者对铸造用高锰钢采用定向凝固并严格控制工艺参数获得了稳定的奥氏体胞晶组织,发现随着铈量增加,胞晶前沿转向枝晶发展,并有游离晶出现。与此同时,用电子探针微区分析考察了铈对高锰钢中锰在定向凝固条件下获得的胞晶、柱状晶及等轴晶内偏析的定量影响,在前人研究成果的基础上,考虑到固相反扩散这一因素,导出了高锰钢中锰元素的溶质分布表达式,通过对实验数据进行理论分析,发现溶质平衡分配系数K。值是影响枝晶偏析的决定性因素。     

电磁搅拌对钢坯凝固过程中热工参数的影响

采用自行设计的单侧冷却凝固实验装置进行了有无电磁搅拌作用下钢坯的凝固实验,并通过计算机数据采集系统对钢坯凝固过程中的各种热工参数进行了实时测试和分析·研究结果表明:施加电磁搅拌以后,钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加,促进了铸型内钢液过热的耗散,使得钢坯内的温度分布趋于均匀,降低了凝固前沿的温度梯度·这不仅抑制了柱状晶的发展,同时易于在钢液内部同时形核,有利于等轴晶凝固组织的形成,使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用下的47%提高到76%·这也说明了电磁搅拌促进钢液中的过热耗散是提高铸坯凝固组织中等轴晶比率的重要原因之一·     

材料凝固时晶粒生长-粗化的二维元胞自动机模型

建立了模拟凝固进行时晶粒成核、生长与粗化过程以及凝固完成后晶粒粗化过程的二维元胞自动机模型,模型中将原子在固/液界面、晶界面的迁移过程以概率的方式表现在元胞网格演化的规则中.模拟结果表明,所建立的模型可以合理地描述晶粒在凝固过程中的生长-粗化过程.应用本模型分析了冷却率、结晶取向数、温度等因素对于晶粒微观结构演化的影响.研究结果表明:大冷却率有助于得到细小的晶粒;当结晶取向数大时晶粒较小;保温温度低会抑制晶粒粗化.     

合金凝固过程中晶粒尺寸和形貌演变的预测

利用合金凝固热力学原理,考虑形核和长大因素,建立了预测晶粒尺寸的理论模型,利用该模型对近液相线半连续铸造6061铝合金的晶粒大小进行了计算,所得结果与实验吻合.在所计算的几个条件中,最大误差小于7μm.通过对凝固过程中液固界面法向生长的扰动分析,得出球形晶粒周边主导波长及对应于一定波数的临界晶粒直径表达式.利用此关系可以很好地解释球晶生长及其向一定形貌的枝晶转变的条件及机理;对于分析凝固组织中不同形貌晶粒的形成及演化具有参考价值;对于半固态合金组织性能预测及其制备工艺优化具有实际意义.     

金属凝固组织的计算机仿真

探索了一种新的仿真金属凝固过程中微观组织形成的方法。通过引入导质形核模型，枝晶生长模型，几率形术底模型，借鉴单元动生长机制，仿真等轴晶、柱状晶组织形成的过程。结出了图形仿真结果，襁和实验结果符合得较好。     

电磁搅拌改善铸坯内部质量的实验研究

采用低碳钢进行静态浇铸实验,并就电磁搅拌对铸坯内部质量的影响进行了实验研究·实验结果表明,电磁搅拌可明显提高铸坯凝固组织的等轴晶率,同时又可以改善铸坯内的成分分布状况,从而提高铸坯的内部质量·在合理的电磁搅拌参数和浇铸参数条件下能够得到几乎为100%等轴晶的铸坯·     

含锡不锈钢溶质偏析模型计算

结合微观偏析模型及Thermo-calc软件,考虑了Mn S的析出,用微观偏析理论研究了含锡铁素体不锈钢中溶质的偏析行为.主要讨论了铁素体不锈钢中C,Mn,S,P,Cr在凝固过程中的偏析程度,研究了溶质偏析对零强度温度(ZST)、零塑形温度(ZDT)的影响规律.分析了锡在铁素体钢和低碳钢中偏析行为的差异,解释了低碳钢的热加工塑形凹槽现象,理论分析了微量元素对热塑性的影响.结果表明,Sn的凝固偏析比远大于除P,S外的其他元素,Mn对S元素凝固偏析有抑制作用.锡为易偏析元素,其在奥氏体相中的凝固偏析比大于在铁素体相中的偏析比.     

电铸Cu的显微组织、晶粒取向和晶界结构

采用SEM,TEM和EBSD研究了电铸Cu的微观组织形貌、晶粒取向和晶界特征.SEM观察表明,沿沉积方向,组织由细小等轴晶区、等轴晶和柱状晶的混合晶区转变为粗大柱状晶区.EBSD分析表明,对于所有晶区,小角度晶界(15°)的分布频率较小,大角度(≥15°)晶界为电铸Cu组织的主要晶界.在大角度晶界中,CSL晶界占有很大比例,其中Σ3的分布频率较大.柱状晶由平行分布的层状孪晶构成,近似垂直于沉积厚度方向,层间孪晶界为Σ3类型,TEM的观察也显示了孪晶的存在.细等轴晶区晶粒的择优取向不明显,混合晶区和粗柱状晶区有明显的〈111〉和〈101〉择优取向.在粗柱状晶区,平行于沉积厚度方向,具有较强的〈111〉择优取向,表明大多数{111}孪晶面垂直于沉积厚度方向.     

双辊薄带凝固组织中晶粒三维尺寸的表征

双辊薄带凝固组织中柱状晶粒和等轴晶粒的尺寸大小对薄带的性能和行为有非常重要的影响,在薄带铸造过程中由于晶粒的生长具有三维特征,采用传统表征方法无法实现对薄带凝固组织中晶粒三维尺寸大小的表征,本文运用定量金相和概率论知识,在对晶粒形状作出合理假设的基础上,建立了双辊薄带凝固组织中柱状晶粒和等轴晶粒三维尺寸的表征表达式,实现了柱状晶粒等轴晶粒三维生长特征的定量描述。