基于CAFE法模拟易切削钢9SMn28凝固显微组织和从柱状晶到等轴晶转变的变化

基于铸造中的对流计算,用有限元-元胞自动机（CAFE）模型模拟了易切削钢9SMn28的凝固显微组织,模拟结果与试验结果一致,模拟的结晶过程与实际相符,9SMn28合金在慢冷条件下以体积凝固方式凝固。用CAFE模型也研究了从柱状晶到等轴晶转变机理（CET）,CAFE模型中的CET机理是相互的热作用。CET不是突变而是渐变产生,长柱状晶的生长首先被较长晶粒阻挡,随凝固过程的发展热梯度降低,晶粒逐渐变为等轴晶。     

基于元胞自动机有限元法对方坯凝固组织的数值模拟

 基于元胞自动机有限单元法(CAFE)对国内某钢厂220mm×220mm方坯的三维显微凝固组织进行模拟,分析了CAFE法模拟凝固过程显微组织的物理本质,对形核密度、枝晶尖端生长动力学、枝晶生长的择优取向以及FE与CA耦合的实现分别进行了探讨。用该方法对方坯的三维显微组织进行模拟,并对结晶器出口处方坯的角部温度、中心表面温度及坯壳厚度进行了计算。模拟结果表明：当拉速为0. 85m/min,浇铸温度为1535℃,浇钢过热度为30℃时,结晶器出口处方坯角部温度在850~950℃之间,中心表面温度在1050~1170℃之间,坯壳厚度在15mm左右,铸坯柱状晶发达,等轴晶比率较小。模拟的铸坯组织的等轴晶比例与低倍试验结果吻合较好,可以很好地预测方坯实际凝固组织。     

凝固显微组织数值模拟研究的进展

概述了凝固显微组织数值模拟研究的发展过程,介绍了在晶粒惊讶上进行组织模拟的两类模型：确定论模型和概率论模型,此外,介绍了显微组织模拟研究方面的最新动态,包括相图计算和相场法的应用,最后,在分析现有模型不足的基础上,指出了显微组织模拟研究中亟需解决的问题,并对今后的发展方向作了分析。     

含氮不锈钢凝固模式及显微组织研究

研究了四种不同N含量的18Mn18Cr N不锈钢的凝固模式、显微组织和元素分布.结果表明：N含量影响18Mn18Cr N合金系的凝固模式和显微组织.氮的质量分数由0.07%增加至0.72%时,实验钢的凝固模式由F模式转变为A模式,显微组织由铁素体和奥氏体魏氏两相组织转变为铁素体和奥氏体两相组织以及单相奥氏体组织.N含量影响奥氏体相形貌,随N含量增加,奥氏体由板条状、针状转变为枝晶间和等轴状.枝晶间和等轴状奥氏体晶粒中存在褶皱形貌,且随着氮含量增加,褶皱数量增多.褶皱的产生与凝固过程中奥氏体相内部Fe、Mn、Cr元素的偏析有关,且该凝固偏析被保留至室温组织中.     

CAFE模型机理及应用

分析了CAFE法模拟凝固过程微观组织的物理本质、数值计算方法,并应用CAFE法模拟了易切削钢9SMn28的三维微观组织,优化了9SMn28的成分.在CAFE模型中,形核密度用高斯分布来描述;枝晶尖端生长动力学用KGT模型进行计算;枝晶生长的择优取向是<100>方向,并可实现枝晶生长的竞争机制;FE与CA耦合是通过FE节点和CA元胞之间的插值实现的.易切削钢9SMn28微观组织模拟结果与实验吻合较好,确定的碳、磷、锰、硅、硫的最佳质量分数分别为0.15%、0.10%、1.2%、0.08%、0.36%,并对优化结果进行了模拟,有效地改善了9SMn28的凝固组织.     

采用CAFE方法对高碳SWRH77B小方坯凝固结构数值模拟

将元胞自动机（CA）和有限元（FE）方法耦合,模拟了160×160mm高碳SWRH77B小方坯的凝固组织。讨论了形核密度、枝晶端成长动力学、结晶取向以及耦合的CA和FE方法。本文详细研究了小方坯过热度对凝固结构的影响,结果表明,当过热度从20℃增加至30℃时,小方坯晶粒密度从4．662×10 6m-2减少到3．087×10 6m-2,晶粒平均半径从295．1μm增加到346．3μm。通过CAFE方法模拟高碳SWRH77B钢的三维显微组织,结果与工业小方坯相吻合。     

Al-Fe-Mg-Mn-Si系合金凝固显微组织及其模型预测

对Al-Fe-Mg-Si和Al-Fe-Mn-Si2个四元系进行热力学优化评估,并对这2个四元系富Al角的零变量平衡反应温度和液相成分进行了计算。采用光学显微镜,扫描电镜和电子探针技术,系统研究了多组元Al基合金Al356.1定向凝固的显微组织及显微偏析。计算模拟了3个多组元Al合金(Al356.1,Al356.2,Al518.2)的平衡凝固和非平衡凝固的显微组织及显微偏析。模型计算结果与实测数据很吻合,证实了所建立的多组元体系热力学及动力学数据库的可靠性。     

MgO-Al_2O_3-SiO_2复合夹杂物对430不锈钢凝固组织的影响

通过真空感应炉试验,研究不同Mg含量处理所获得的不同MgO-Al2O3-SiO2复合夹杂物对凝固组织的影响。试验结果表明,随着钢中Mg含量的增加,铸锭等轴晶率呈现先升高后下降的趋势,而等轴晶尺寸和柱状晶宽度呈现先降低后升高趋势,存在一个最佳的Mg的质量分数范围(5~13)×10-6,铸锭的等轴晶率在70%以上。夹杂物观测并结合热力学计算发现,随着钢中Mg含量的增加,MgO-Al2O3-SiO2复合夹杂物外层逐步析出MgO·Al2O3相;然而,Mg的质量分数高于13×10-6时,夹杂物外层开始析出2MgO·SiO2相。晶面错配度计算表明,MgO·Al2O3与δ-Fe的错配度为1.2%,2MgO·SiO2与δ-Fe的错配度为13%。可以判断,MgO·Al2O3相可促进等轴晶形成,抑制晶粒长大,2MgO·SiO2相则起不到促进形核作用。从而解释了铸锭等轴晶率、晶粒尺寸随Mg含量的变化规律。     

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.     

利用元胞自动机法模拟电渣重熔钢锭定向凝固组织

本文应用元胞自动机法发展电渣重熔钢锭组织结构的计算模型,建立基于高斯分布的连续形核模型和生长模型;在节点上采用元胞自动机法(CA)对钢液凝固进行形核和生长计算.结果表明:电渣重熔钢锭凝固组织结构主要由柱状晶构成,在底部有一个垂直的柱状晶带,两边有一个延伸的倒Ⅴ形柱状晶带.本文还考查了电极熔速、渣池温度等工艺参数对温度场...     

化学成分对430铁素体不锈钢凝固结构的影响

在430铁素体不锈钢成分体系基础上,研究了成分的变化对430铁素体不锈钢凝固结构的影响。经试验发现,含碳量的变化显著影响430铁素体不锈钢的凝固组织,含碳量越高,铸锭中的等轴晶比率越大;而Ti元素的加入,虽然有利于430铁素体不锈钢铸锭中等轴晶的形成,但需要保证TiN在钢的液相线附近析出,促进钢的异质形核,从而优化钢的凝固结构。     

易切削钢9SMn28凝固过程的CAFE法模拟

为了耦合缩孔和疏松模拟凝固过程三维微观组织,对元胞自动机-有限元(CAFE)法的物理本质和数值计算方法进行了分析,采用CAFE法对易切削钢9SMn28铸件进行了凝固过程、缩孔和疏松及三维微观组织的模拟.模拟结果表明:在空冷条件下,铸件表层的凝固是在连续降温过程中进行的,内部是先等温凝固,后降温凝固;缩孔和疏松模拟结果与实际铸件的基本相符;实现了9SMn28合金三维微观组织的模拟,模拟结果与实验吻合较好.     

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E_N^Mn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E_N^Cr和E_N^Ni非定值,分别为E_N^Cr=-0.046和-0.011,E_N^Ni=-0.011和0.033.     

430铁素体不锈钢板坯组织分析

采用金相显微镜(OM)对430铁素体不锈钢板坯宏观组织和金相组织进行检测,采用X射线衍射(XRD)和差热分析的方法对板坯中物相进行分析,并用电子探针(EPMA)确定铸坯中元素分布。结果表明:430不锈钢铸坯试样在加热过程中发生了铁素体和奥氏体的相变,X射线衍射图谱中只有体心立方的α相峰位;430不锈钢板坯宏观组织由柱状晶和等轴晶组成;板坯金相组织由铁素体基体和长条状、块状的马氏体组成,存在成分偏析;柱状晶区金相组织中马氏体质量分数为30％,而等轴晶区金相组织中马氏体质量分数为14％。     

冷却速率对奥氏体不锈钢凝固过程影响的原位观察

通过采用激光共聚焦扫描显微镜对AISI304奥氏体不锈钢的凝固过程进行了原位动态观察研究.发现当冷却速率为0.05℃·s^-1时,奥氏体不锈钢以胞状晶方式凝固,其凝固模式为FA模式,即δ铁素体相先从液相中形核并长大,γ相在1 448.9℃时通过与液相发生包晶反应(L+δ→γ)在δ铁素体相界形成,当温度降到1 431.3℃时液相消失,δ铁素体相通过固态相变转变为γ相,富Cr贫Ni的残留铁素体位于胞状晶之间.当冷却速率为3.0℃·s^-1时,奥氏体不锈钢以枝晶方式生长,冷却到1346.4℃时包晶反应在液相与δ铁素体相界之间进行,其残留铁素体位于枝晶干,与冷却速率为0.05℃·s^-1时相比,其残留铁素体的数量增多,残留铁素体富Cr贫Ni的程度减轻.     

成分与冷却速率对高硅不锈钢凝固模式的影响

 高硅奥氏体不锈钢因其较高的Si元素含量所表现出的优异耐蚀性能而成为制酸行业普遍应用的一种特殊钢种。然而,高含量Si元素的加入会引发铸造缺陷和成分偏析加剧以及钢中析出相增多,热加工过程中易产生热裂纹等问题。高硅奥氏体不锈钢凝固过程中δ铁素体的含量、形态和分布与合金化学成分和热加工历史紧密相关,其室温组织取决于析出相的析出顺序和随后的固态相变,因此,奥氏体不锈钢的凝固模式势必会影响合金的热塑性。为此通过调整高硅奥氏体不锈钢中Si元素与Cr元素的含量,采用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜能谱分析(SEM/EDS)、电子探针(EPMA)、JMatPro软件计算等方法,探究了合金成分变化与冷却速率对高硅奥氏体不锈钢凝固模式的影响,并对经典铬镍当量算法进行了评估。结果表明,Schneider铬镍当量算法相较于Rajasekhar铬镍当量算法对大多数合金的凝固模式预测较为准确;随着合金中Si元素与Cr元素含量的提高,合金凝固模式由AF模式转变为FA模式,合金凝固过程中经历更多的“δ→γ”固态相变,其中质量分数为6.0%Si成分的合金对应的δ铁素体增幅减缓;随着质量分数为5.0%的Si铸锭冷却速率的提高,合金凝固模式由AF模式转变为A模式;Hammar and Svensson凝固路线判据可以准确预测高硅奥氏体不锈钢的初始析出相。研究为合理制定高硅奥氏体不锈钢的合金成分与成形工艺提供理论依据。     

405不锈钢高温组织转变研究

通过热膨胀法以及Thermo-Calc热力学计算软件对SA240-405不锈钢铁素体向奥氏体转变的温度进行了测量和计算。进一步结合淬火与回火热处理,分析了405不锈钢在高温下组织随温度与时间的变化关系。研究结果表明,405不锈钢铁素体向奥氏体开始转变的温度为795~832℃,转变终了温度为910~925℃。温度高于1 050℃,随温度升高,奥氏体逐渐向铁素体转变,淬火后的马氏体含量降低。在950及980℃淬火,得到的组织为马氏体与铁素体的双相组织,淬火时间为30~60 min得到的硬度较高;进一步延长淬火时间,硬度逐渐降低。在730℃回火后得到的组织为铁素体与回火马氏体,无明显残余奥氏体,回火后组织的硬度随时间延长逐渐降低。     

脉冲电场处理对钢的凝固组织和元素分布的影响

通过改变脉冲电场的电压对钢液进行处理,研究了脉冲电场处理对钢液凝固元素迁移特性和晶粒细化的影响.利用ImageJ软件统计分析了试样的晶粒数和晶粒分布,利用原位分析仪分析了钢中主要元素C、Si、Mn、P和S的分布与偏析情况,探讨了不同电压下脉冲电场对钢液凝固过程元素迁移特性的影响.实验结果表明,随着脉冲处理电压升高,晶粒明显得到细化,钢中元素Si、Mn和P具有相似的分布,而P和S具有相反的分布特性.