母合金铸锭组织对Zr60Al15Ni25合金玻璃形成能力的影响

通过改变反复重熔次数获得了具有不同凝固组织的母合金铸锭.结果发现,母合金铸锭的凝固组织随着熔炼次数的增加而明显细化.通过差示扫描量热法(DSC)研究了母合金铸锭凝固组织对大块非晶形成合金Zr60Al15Ni25玻璃形成能力的影响.实验结果表明,随着母合金铸锭凝固组织的细化,非晶合金的玻璃转变温度Tg提高;约化玻璃转变温度Trg增大;合金的熔化焓ΔHf减小,凝固过程中的结晶驱动力降低,抑制了形核,有利于非晶的形成.由于结构的遗传性,细化的铸锭重熔至同一吸铸温度时,相应的合金熔体的短程序尺寸变小,在随后的快冷过程中保留到非晶基体中的短程序尺寸减小,非晶晶化时原子的重组变得困难,因而Tg提高.     

硬铝合金半连续铸造过程数值模拟及裂纹倾向性研究

对凝固过程中流场、应力场、温度场及微观组织形态进行数值模拟,能帮助工艺设计人员分析不同时刻凝固过程的温度分布、金属流态、结晶晶粒尺寸、应力分布等重要物理参数,从而预测疏松、偏析、夹杂及热裂纹等缺陷.在结晶器下方设置区域冷却装置,控制区域冷却装置刮水板的作用位置,能够阻挡冷却水沿铸锭下流,实现区域冷却的效果.通过研究温度...     

基于实验与3D-CAFé法的高硅钢铸锭凝固行为

通过空冷和水冷实验研究了高硅钢的铸态组织,发现高硅钢铸态组织主要由粗大的柱状晶构成,水冷铸锭中柱状晶比例高达90%以上.依据铸锭的化学成分和晶粒统计结果,确定了3D-CAFE法模拟所需的枝晶生长动力学系数及高斯分布等参数.采用CAFE法对不同冷却条件下高硅钢的凝固过程进行模拟研究,发现空冷铸锭较水冷铸锭的温度场更均匀,糊状区更宽阔;空冷铸锭呈"过渡式"凝固,水冷铸锭呈"分层式"凝固;空冷流场较水冷流场更稳定,凝固末期冒口处出现明显的抽吸现象,而水冷模拟结果中未观察到该现象.组织模拟结果发现,模拟得到的高硅钢凝固组织无论是形貌还是晶粒尺寸都与实验结果相一致;最后通过改变浇注温度模拟研究了过热度对高硅钢凝固组织的影响,结果表明,随着过热度的降低,铸锭中心等轴晶率提高,晶粒数量增加,晶粒尺寸变得细小.     

低频电磁场对传统热顶铸造6063铝合金凝固过程的影响

在传统热顶铸造过程中施加低频电磁场,使用热电偶测量了稳定铸造阶段从铸锭中心到边部不同位置的冷却过程,得到了铸锭内部的温度分布,分析了低频电磁场对传统热顶铸造6063铝合金凝固过程、宏观组织和表面偏析层厚度的影响.实验表明:低频电磁场使铝熔体产生的强制对流使熔池内的温度分布更加均匀,促进了铝熔体过热的散失,使熔池内的温度低于6063铝合金的液相线温度,提高了熔池内部形核质点的数量,在没有添加细化剂条件下使铸锭宏观组织均匀细小,降低了液穴深度.铝熔体流动速度的加快能增强石墨环与铝熔体之间的换热,使结晶器内铸锭表面初始凝壳点位置上移,减小了铝熔体与结晶器的有效接触高度,提高了铸锭的表面质量.     

微观组织参数及工艺条件对430不锈钢凝固显微结构的影响

在多元合金CAFE模型的基础上,分析了微观组织参数(形核密度、高斯分解参数、Gibbs-Thomson系数等)与430不锈钢凝固过程中晶粒形貌的复杂关系,以及过热度与冷却强度等工艺参数对凝固组织的影响.研究发现,晶粒尺寸和柱状晶向等轴晶转变不仅与体最大形核过冷度有关,也受体形核密度的影响.高斯分解参数和Gibbs-Thomson系数增大时,一次枝晶间距减小,等轴晶范围增大;但当它们增加至一定范围后,其对显微结构的影响逐渐变得不明显.过热度或冷却强度增大时,等轴晶范围减小,但一次枝晶间距的变化不明显.     

母合金铸锭组织对Zr_(60)Al_(15)Ni_(25)合金玻璃形成能力的影响

通过改变反复重熔次数获得了具有不同凝固组织的母合金铸锭.结果发现,母合金铸锭的凝固组织随着熔炼次数的增加而明显细化.通过差示扫描量热法(DSC)研究了母合金铸锭凝固组织对大块非晶形成合金Zr_(60)Al_(15)Ni_(25)玻璃形成能力的影响.实验结果表明,随着母合金铸锭凝固组织的细化,非晶合金的玻璃转变温度T_g提高;约化玻璃转变温度T_(rg)增大;合金的熔化焓△H_1减小,凝固过程中的结晶驱动力降低,抑制了形核,有利于非晶的形成.由于结构的遗传性,细化的铸锭重熔至同一吸铸温度时,相应的合金熔体的短程序尺寸变小,在随后的快冷过程中保留到非晶基体中的短程序尺寸减小,非晶晶化时原子的重组变得困难,因而T_g提高.     

Al-Si合金快速等轴凝固界面响应函数及组织选择

在快速枝晶及共晶生长理论模型基础上,使用最高界面生长温度判据,建立了共晶合金快速等轴凝固界面响应函数(IRF)模型,分析了Al-Si合金系各种相及组织的竞争生长,绘制了非平衡组织选择图.计算结果与实验结果基本吻合,说明所建立的界面响应函数模型可以较好地预测Al-Si合金等轴凝固过程中的非平衡组织选择及形态演化.     

爆炸与火灾联合作用下结构钢动态本构关系

目的考虑高温软化效应和高速应变率效应对结构钢的黏性以及流变力学特性的影响,建立考虑高温软化效应与高速应变率效应的结构钢本构关系模型.方法以试验和模拟结果为基础,对应变率范围和温度范围进行了重新划分,在Perzyna和Johnson-cook模型的基础上,建立了结构钢在爆炸与火灾联合作用下的流变应力模型,考虑了比例距离与应变率的关系和时间与温度的关系.结果提出了比例距离与应变率的关系,有效地实现了针对爆炸过程中应变率的预测.在已有模型的基础上提出了一种修正模型,并考虑了爆炸过程中的应变率和火灾中的升温过程.结论笔者建立的本构关系模型可以较好地描述结构钢的温度热效应和高速应变率效应的联合作用,并且节省计算时间.     

GTA焊接熔池特性的数值模拟

以GTA焊接熔池为研究对象,建立了304不锈钢材料的移动GTA焊接过程的数学模型,模型中考虑了电磁力、浮力和表面张力.利用大型通用商业软件Phoenics3.4进行数值模拟.通过引入液相分数标量描述界面熔融区,能量方程中将潜热转换为热焓源项,而动量方程则引入Darcy源项,由此建立统一的液固相控制方程,实现在固定网格下求解具有移动界面的熔化和凝固过程.应用该模型计算了不锈钢GTA焊接过程中的熔池形状、工件的温度场和熔池的流场,熔池形状计算结果与实际焊接结果吻合.     

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.     

水冷换热系数的研究及平面凝固铸造的数值模拟

分别建立了喷雾冷却和平面凝固铸造的二维计算模型.根据对1070铝合金方锭末端冷却所测得的温度数据,反求出不同水压下冷却面表面温度与换热系数的变化规律,并将其作为边界条件导入平面凝固铸造的计算模型进行可靠性验证.结果表明:界面换热系数随冷却面温度的降低先升高后降低,在400K左右达到峰值.随着冷却水压的增加,换热系数的峰值和峰值对应的温度值也相应增大.铸造实验测温结果表明:所用平面凝固装置可实现凝固前沿宏观上呈平面上升,且凝固过程中铸锭各处冷却均匀;与数学模型计算结果吻合良好,说明该模型可用于平面凝固铸造工艺方案的研究.     

浇注温度对脉冲磁致振荡细化纯铝凝固组织的影响

采用自制脉冲电源,研究脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation,PMO)对纯铝凝固组织的作用效果,考察浇注温度对纯铝凝固组织细化的影响.实验结果表明,低的浇注温度有利于铸锭中形成适合晶核生存的温度场,增加晶核存活数量,从而改善铸锭的细化效果.     

合金元素及凝固模式对含氮不锈钢氮含量的影响

通过冶炼实验研究Mn、Cr和Ni对不锈钢凝固模式及铸锭氮含量的影响,探讨影响氮含量的关键因素,并分析合金元素对钢液与铸锭中氮含量影响的相互作用系数的区别.实验结果表明,影响氮含量的因素主要为钢液中氮的溶解度和不锈钢的凝固模式.增加钢液中氮的溶解度、改变凝固模式由F→FA→AF→A时,不锈钢的溶氮能力提高,氮气的溢出量减少,氮含量增加.随Mn含量增加,铸锭中氮含量线性增加,而随Cr和Ni含量增加,氮含量的变化均存在三个特征阶段.分析认为:Mn含量变化不改变凝固模式(FA),相互作用系数EMnN为-0.0286,与钢液中相近;而随Cr和Ni含量增加,凝固模式分别依次经历F→FA→AF→A和FA→AF→A模式,相互作用系数ECrN和ENiN非定值,分别为ECrN=-0.046和-0.011,ENiN=-0.011和0.033.     

施振功率与温度对工业纯铝凝固组织的影响

在工业纯铝的凝固过程中引入超声场,探讨了超声细化晶粒的机理,并具体研究了超声功率、导入声波的熔体温度区间对铸锭凝固组织的影响规律. 实验结果表明:铝熔体经超声处理后,凝固组织均得到显著细化,这主要取决于超声的空化效应和声流效应;超声功率增大时,组织细化程度提高,功率达到170W时细化效果最好,继续增大功率则细化作用减弱;施振温度区间对凝固组织的影响也有相似的规律,在合理的温度导入声波,晶粒能细化到最佳程度.     

连续铸造稳态温度场非物理边界条件的确定

建立了描述连续铸造过程的温度场模型,用外推法得出凝固金属在结晶器出口侧的非物理边界条件模型,使稳态温度场的计算精确高效.利用该温度场模型及非物理边界条件模型计算了Al-Cu合金在半连续铸造过程中的稳态温度场,并以此确定的介观温度场作为液固相变模拟的条件,用多尺度计算技术模拟了Al-10%Cu合金在不同浇注温度时的凝固组织,得到了晶粒形貌和分布合理的微观组织.对ZL201合金的近液相线铸造组织的模拟结果与实验吻合.研究表明:该温度场模型及非物理边界条件模型适于稳态连续铸造过程的模拟,并可为金属凝固组织的多尺度模拟提供正确的温度场数据.     

基于反算热流的结晶器内流动--传热--凝固耦合模拟

基于Navier-Stokes动量方程和湍流低雷诺数k-ε方程,综合考虑能量守恒和钢液凝固与糊状区对流动过程的影响,建立了描述结晶器内钢液流动、传热及凝固过程的三维耦合数学模型。以实测温度和结晶器反问题模型计算出的热流为边界条件,模拟计算了结晶器内钢水的流动、传热和凝固行为。钢液流动决定结晶器内的温度和热流分布,铸坯凝固受钢液流动和结晶器热流双重因素的影响。建立的模型以及由此得到的铸坯凝固非均匀特征可为进一步考察浇铸过程中纵裂和其他表面缺陷提供借鉴和参考。     

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.     

方坯连铸机结晶器凝固传热的数学模型

研究和开发了方坯连铸机结晶器非稳态凝固传热的数学模型,预测铸坯温度分布和凝固状态,模型考虑了凝固时结晶器气隙的存在,使得传热不均匀,同时,采用等效比热法处理了凝固前沿产生的结晶潜热·以生产厂方坯为研究对象,得出了温度分布规律、凝固坯壳生成规律,分析了拉速对铸坯温度和坯壳厚度的影响·结果表明,经模型计算得出的温度、坯壳厚度值与现场测定的温度、拉漏数据基本相符·     

铝合金半连续铸造过程中的液穴温度分布

针对生产一线对于铸锭质量控制和优化生产工艺的需求,在工厂实际生产平台上通过实验方法,测量了热顶立式半连续铸造圆铸锭液穴内部和凝固部分各个不同位置的温度,并通过插值方法得到了整体的温度分布,分析了糊状区的分布特点。结果表明热帽对保持铝液的温度起着明显的作用,结晶器一次冷却区的冷却速度不大,铸锭在凝固过程中散热主要通过二次冷却区冷却水的激冷作用实现。该文结果为工艺参数的优化提供了参考。     

枝晶凝固过程中的微观偏析半解析数学模型

基于典型微观凝固单元体内的溶质质量守恒,结合前人的研究工作,建立了一个适合于枝晶凝固方式的二元合金微观偏析半解析模型.本模型同时考虑了反向扩散和粗化对微观偏析的影响,并对枝晶臂间距的粗化直接进行计算,因此更为精确.若只考虑反向扩散的影响,本模型可以简化为BF模型形式;而如果只考虑粗化的影响,本模型可简化为Mortensen模型.本模型完整地统一了以BF模型为代表的反向扩散类模型和以Mortensen模型为代表的粗化模型.利用本模型同样可以对多元合金的微观偏析进行很好预测.以Fe-C-X(Si,Mn,P,S)合金体系为例对本模型的求解过程进行了详细的阐述.本模型可以很好地预测Al-4.9%Cu二元合金的共晶分数以及Fe-C-X(Si,Mn,P,S)多元合金体系的零强度温度和零塑性温度,并与实测值吻合良好.