稀土铈对钢中溶质碳偏析影响的热力学研究

以Fe-C-Ce合金为对象,建立多元合金溶质分配系数热力学计算模型,并利用FactSage Equilib模块计算不同铈含量下凝固体系中溶质碳的平衡分配系数,以此研究稀土铈对钢中溶质碳偏析的影响。结果表明:稀土铈对体系的凝固相转变影响较大。钸的添加可促使奥氏体的转变,使L+γ固-液共存区扩大,从而使碳的平均平衡分配系数增大,起到减小钢中碳偏析的作用。改善钢中碳偏析的最适宜铈添加量与碳含量有关,Fe-0.1%C-x%Ce(质量分数,下同)体系最适宜的稀土铈添加量为0.047%～0.057%,Fe-0.25%C-x%Ce体系最适宜的稀土钸添加量为0.03%～0.04%。     

垂直定向凝固条件下通道偏析形成过程的数值模拟

建立了描述合金凝固过程热－溶质对流和宏观偏析形成过程的数学模型。模型中耦合求解了凝固过程中质量、动量、能量和溶质守恒方程；同时，基于固液两相区中温度和成分的耦合关系建立了固相分数场的更新方法。利用该模型模拟了底部冷却的二维矩形区域内Fe-C合金凝固过程中通道偏析的形成和发展过程。模拟结果表明，垂直定向凝固条件下通道偏析形成于液相线前沿附近，而不是两相区内部。这一结果很好地支持了文献中基于实验观察提出的通道偏析形成机理。     

Al-Cu-Mg三元合金的溶质分凝与凝固进程的数值模拟研究

基于相图计算方法,耦合微观凝固模型,研究了Al-Cu-Mg合金溶质分配因数在凝固过程中的变化规律,并获得了分凝特性与固相体积分数变化的定量关系.以Al-3.9%Cu-0.9%Mg为例计算表明,Cu与Mg的溶质分配因数在凝固过程中变化较大,并且,冷却速率的变化对Cu和Mg的分配因数有较大的影响.以溶质分凝规律为基础,定量预测了Al-15.0%Cu-4.0%Mg合金在不同冷却速率下的固相体积分数随温度的变化曲线.计算表明,随着冷却速率的增大,该曲线向低固相体积分数方向移动,并且非平衡共晶的体积分数增大.其中,在6K/min下的计算结果与DTA分析结果基本一致.     

冷却速率对Ni-Nb合金非平衡凝固组织的影响

采用阶梯铜模喷铸方式开展了Ni-10%Nb(质量分数)合金非平衡凝固实验,并利用Procast软件对不同铜模内径所对应的冷却速率进行了计算。综合采用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪对不同冷速条件下合金二次枝晶间距、溶质含量等组织参量进行表征。实验结果表明,随铜模内径减小,合金冷却速率增加,二次枝晶间距减小,枝晶主干中溶质含量得到明显提高。在此基础上,利用枝晶生长模型对不同过冷度条件下的枝晶生长速率进行了计算。分析结果表明,随冷却速率增加,凝固发生时过冷度增大,枝晶生长速度提高,溶质截留现象趋于严重,导致溶质过饱和现象发生。此外,冷却速率的提高还有利于减小液/固界面前沿溶质扩散区长度,导致二次枝晶间距减小。     

非平衡凝固AZ91+0.75%Er镁合金及其热处理

采用铜模喷铸技术制备出AZ91+0.75%Er(质量分数)稀土镁合金非平衡凝固试棒,研究了低温时效及高温固溶对合金组织和显微硬度的影响规律。结果表明,稀土元素的添加及冷却速率的提高均有利于细化AZ91镁合金组织,其中后者影响效果更加明显。急冷条件下的溶质截留效应还可以消除铸态稀土镁合金中的Al-Er针状化合物相。非平衡凝固合金经200℃时效处理后,β相从过饱和固溶体中析出。时效16 h后,Mg-Er稀土化合物相以颗粒团聚状从基体中形成。420℃固溶处理时,非平衡凝固合金中β相发生溶解,晶粒形貌转变为多边形等轴晶组织,平均晶粒尺寸随固溶时间的延长而不断增加。非平衡凝固及后续时效处理可有效提高稀土镁合金的显微硬度,而固溶条件下合金硬度值有所降低。     

固溶处理对高铝310S钢组织和性能的影响

对铝含量为2%和4%(质量分数)的热轧态310S耐热钢进行不同条件下的固溶处理,用光学显微镜观察了显微组织,用EPMA-1600电子探针分析了组织中各元素分布,并进行了室温拉伸性能测试。结果表明,高铝310S耐热钢在1150℃固溶处理时,随着时间延长晶粒尺寸明显增大,Cr7C3颗粒和Al4C3颗粒含量均大幅度减少,残余的Cr7C3颗粒逐渐聚集长大,并和Al4C3颗粒一起沿晶界呈链条状析出;经1200℃×2 h固溶处理,Cr7C3颗粒完全消失,而Al4C3相少量残余。高铝310S耐热钢合理的固溶处理工艺为:1200℃保温2 h,然后水淬处理,经此工艺处理的试样抗拉强度和屈服强度均高于传统工艺(1150℃×30 min)。     

铝基四元合金枝晶组织及微观偏析的数值模拟

建立了基于元胞自动机(CA)和热力学相平衡计算引擎(PanEngine)的二维耦合模型,并应用于铝基四元合金枝晶组织和微观偏析的数值模拟.在该耦合模型中,采用CA方法模拟枝晶组织的演变.以固/液界面的平衡液相线温度和实际温度的差值作为枝晶生长的驱动力,同时考虑了固/液界面曲率的Gibbs-Thomson效应.通过求解溶质传输方程获得固/液界面处三种溶质的液相成分,耦合PanEngine获得固/液界面处的平衡液相线温度及三种溶质的平衡固相成分,为提高计算效率,采用预制数据表格的优化策略将CA与PanEngine进行耦合.将Al-4.5Cu-0.5Mg-1Si(质量分数,%)四元合金凝固时的固相分数随温度的变化以及固相分数和固相成分分布关系的模拟结果与Scheil模型和平衡凝固模型的预测结果进行了对比,结果表明,该模型不仅可应用于模拟多元合金中的枝晶生长形貌,而且能对铝基四元合金系凝固的微观偏析进行定量预测.     

MODELING OF DENDRITIC STRUCTURE AND MICROSEGREGATION IN SOLIDIFICATION OF AL-RICH QUATERNARY ALLOYS

建立了基于元胞自动机(CA)和热力学相平衡计算引擎(PanEngine)的二维耦合模型, 并应用于铝 基四元合金枝晶组织和微观偏析的数值模拟. 在该耦合模型中, 采用CA方法模拟枝晶组织的演变. 以固/液界面的平衡液相线温度和实际温度的差值作为枝晶生长的驱动力, 同时考虑了固/液界面曲率的Gibbs-Thomson效应. 通过求解溶质传输方程获得固/液界面处三种溶质的液相成分, 耦合PanEngine获得固/液界面处的平衡液相线温度及三种溶质的平衡固相成分. 为提高计算效率, 采用预制数据表格的优化策略将CA与PanEngine进行耦合. 将Al-4.5Cu-0.5Mg-1Si(质量分数, %)四元合金凝固时的固相分数随温度的变化以及固相分数和固相成分分布关系的模拟结果与Scheil模型和平衡凝固模型的预测结果进行了对比, 结果表明, 该模型不仅可应用于模拟多元合金中的枝晶生长形貌, 而且能对铝基四元合金系凝固的微观偏 析进行定量预测.     

镍基高温合金定向凝固斑点偏析的数值模拟研究

为了研究铸造高温合金中的斑点偏析，建立了描述多元合金凝固过程传输行为的数学模型。基于伪二元相图方法，模型给出了液相线温度与固相分数及液相多元溶质浓度的耦合关系式。利用该模型对Ni-5．8Al-15．2Ta（质量分数，％）合金铸锭的垂直定向凝固过程进行了模拟。结果表明：该模型能够反映多组元镍基高温合金凝固过程中斑点偏析的形成及发展过程。凝固界面前沿附近热-溶质双扩散对流引起的密度倒置，是诱发斑点偏析的主要原因。在糊状区中形成的偏析通道中，富集溶质从糊状区流向液相区，通道周围局部流动可以通过糊状区从液相区补充通道中的流动。凝固初期形成的通道不能稳定存在，多个通道合并促使局部凝固前沿优先生长，最终形成稳定的偏析通道。     

金属凝固组织形成的仿真研究

利用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法,依据对金属凝固过程的温度场,浓度场的数值模拟和金属结晶过程中的热力学条件,建立了描述金属凝固组织形成过程的宏观－微观耦合模型,对Ａｌ－４．５％Ｃｕ（质量分数）固溶型合金的凝固组织形成过程进行了模拟,结果与实际凝固组织接近。     

稀土Ce对253MA耐热钢凝固组织及夹杂物的影响

采用激光共聚焦显微镜、场发射扫描电镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)等设备,对含稀土Ce的耐热钢253MA连铸坯的凝固组织及夹杂物的形貌、成分和结构进行表征分析。结果表明:比较两种含稀土Ce耐热钢的凝固组织,稀土Ce有增大凝固组织等轴晶率、细化柱状晶的作用;稀土Ce夹杂物主要相结构为CeO₂和(CeO)₂SO₄,呈细小、近球形弥散分布;对夹杂物进行统计和评级,发现稀土Ce含量的增加有利于D类球形夹杂物增多,有助于提高耐热钢的耐高温、抗氧化性能。     

快速凝固中局部非平衡溶质截留的分析模型(英文)

对二元合金快速凝固过程中的局部非平衡扩散模型(LNDM)进行改进。改进的模型考虑了熔体中溶质浓度和溶质通量流场与局部平衡的偏差。采用双曲函数扩散方程求得了熔体中溶质浓度和通量的准确解。结果表明,对任何固?液界面的动力学,当有效扩散系数DbLNDM→0和在v→vDb发生完全溶质截留KLNDM(v)→1时,凝固过程将由扩散控制转变为完全的热控制。非扩散凝固和完全溶质截留的临界参数为在溶体中的扩散速度vDb,考察了不同界面动力学途径的溶质截留模型。     

Investigation of the solute transportation coupled with heat transfer and fluid flow during twin-roll strip casting process

Mathematical model of solute [C] distribution in twin-roll strip casting process has been setup successfully with Calcosoft for the first time. Simulation result shows that in the center of the molten steel pool between the two rolls there is a vortex flow, which is a solute enriched area. But the highest solute concentration position is at the solidification front of the columnar grain zone near the cooling roll surface. Another solute enriched position is in the back flow above the nip point. Combined wit...     

纳米结构14Cr-ODS铁素体钢的制备与微观结构

采用机械合金化和热等静压技术制备纳米结构14Cr-ODS铁素体钢,利用SEM,XRD和EDS等手段分析了机械合金化过程中粉末形态和结构的变化以及合金元素的固溶情况,通过TEM研究了14Cr-ODS铁索体钢的微观结构及其在短时高温下的稳定性.结果表明,元素粉末经机械合金化过程中发生反复的冷焊和断裂导致粉末尺寸先增加（0-2 h）后下降（2-70 h）,晶粒尺寸随球磨时间的增加而减小,同时Cr,W和Y₂O₃等固溶入Fe基体中.纳米结构14Cr-ODS钢中存在3种析出相:极高密度的、尺寸在几个纳米的富Y-Ti-O团簇,少量Y₂Ti₂O₇析出相和块状富Cr-Ti相.经1250℃,8 h短时高温热处理后,纳米团簇显示出了良好的稳定性,Y₂Ti₂O₇相的密度增加.     

凝固组织对连铸板坯中心偏析的影响

根据钢厂生产实践,从凝固组织入手,从宏观角度阐释了凝固组织对中心偏析及钢液流动的影响:中心偏析是由于凝固界面均一向前推进,溶质元素在中心部位汇聚造成的;柱状晶发达,高溶质钢液停留在柱状晶间的间隙内,可以改善中心偏析;等轴晶凝固界面可以分散汇聚在中心部位的溶质元素,改善偏析;钢液补充凝固收缩的现象发生在等轴晶区内,恶化了中心偏析。     

特种金属及合金中厚板在线酸洗技术探讨

酸洗过程是钛和钛合金中厚板高质量制造瓶颈工序;双相不锈钢中厚板难以在线酸洗,为国内外难题。在卧式连续喷淋酸洗机组上,以TA2钛、304不锈钢、S32205双相不锈钢中厚板为代表,提出、论述4元素（H、N、O、F）组成的硝酸和氢氟酸,两段式混酸（HNO3＋HF）液酸洗技术,它包括：两段式混酸（HNO3＋HF）液酸洗技术构思;两段式混酸（HNO3＋HF）液质量浓度数值范围;两段式混酸（HNO3＋HF）液物质的量表。应用该技术,实现了TA2钛、304不锈钢、S32205双相不锈钢等宽产品范围特种金属及合金中厚板在线酸洗。酸洗后表面呈银白色、色泽均匀,满足了标准和用户关于表面质量的要求。     

Nb对奥氏体热变形后等温回复的影响

采用热模拟实验研究了不同Nb含量的低C高Mn钢在800—900℃变形后奥氏体的回复特征,同时借助Fe-40%Ni-0.1%Nb(质量分数)合金揭示了回复过程中的位错演化及析出行为,建立了位错滑移及溶质拖曳机制的等温回复动力学模型,据此计算拟合了应力松弛曲线上回复实验数据,计算结果与理论分析及实验结果相符.实验及模拟结果表明,Nb溶质拖曳及析出均减慢回复过程,提高变形积累;与Nb溶质拖曳相比,析出能够更有效地延缓回复软化;Nb溶质拖曳通过升高回复激活自由能U0及减小激活长度来实现回复过程的延缓,提高溶质Nb含量,将升高Uo和减小激活长度.对于含Nb低C高Mn微合金钢,在道次间隔短的多道次热连轧精轧阶段,变形积累主要依靠Nb溶质拖曳作用,而对于轧制节奏较慢的中厚板精轧,轧制变形的积累依靠Nb溶质拖曳与析出的共同作用.     

钢连铸过程中两相区溶质微观偏析模型研究

以溶质扩散和质量守恒为原则,考虑多组元合金元素影响相变的规律,建立非平衡凝固两相区溶质微观偏析模型。将实验研究数据与模型计算值进行比对,进一步验证模型的可靠性。结果显示,模型计算得到的两相区特征温度,凝固前沿残余液相中元素含量与实验值均能较好吻合。     

Fe-Cr-O和Fe-Cr-Ni-O体系中C还原产物(英文)

研究不同条件下C还原Fe-Cr-O体系(FeCr2O4和Fe2O3+Cr2O3)及Fe-Cr-Ni-O体系(Fe2O3+Cr2O3+NiO)的还原行为及产物特性。结果表明:温度与碳氧比对C还原Fe-Cr-O和Fe-Cr-Ni-O体系所得产物的组成有很大的影响,在较高温度和较低碳氧比的条件下,产物中残余碳含量更少且Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金含量更多;样品的还原率在很大程度上取决于还原时间和温度,在不同温度条件下,产物中的残余碳含量均随着碳氧比的增加而升高。此外,对不同时间条件下C还原Fe-Cr-O体系所得产物进行XRD分析,利用SEM和EDS研究C还原Fe-Cr-O和Fe-Cr-Ni-O体系所得最终产物中不同相的微观形貌和元素分布。     

Influence of cerium on the microstructure and mechanical properties of an as-cast and Q&T steel

In the present work the influence of Cerium on the microstructure and the mechanical properties of a cast, quenched and tempered GS33NiCrMo744 steel is analysed. The study shows that the addition of cerium to the steel melt results in an increase of the number of CeS dispersoids with a size between 0.5 and 3.0 µm. The CeS dispersoids change the solidification morphology and the as-cast microstructure because as a nucleating agent for ferrite. Furthermore, a part of the cerium remains dissolved in the steel. The width of the columnar zone in 25 mm thick castings diametrically correlates with the amount of cerium. Furthermore, the secondary dendritic arm spacing (SDAS) has a tendency to decrease. The tensile strength of these cerium treated and then quenched and tempered (Q&T) steels increases with the number of cerium-containing dispersoids. However, samples with a wall thickness of 75 mm do not show this behaviour.