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铸件凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究

李文珍  
【摘要】:铸件凝固过程中微观组织形成的数值模拟研究是铸造学科前沿的研究课题。本文根据国家自然科学基金重点项目的要求,选择球墨铸铁件微观组织形成模拟作为主要研究方向。同时,从微观模拟的角度研究了球铁件缩孔缩松预测。此外,对铸钢件缩孔缩松的定量预测进行了较深入的研究。 球墨铸铁作为一种重要的工程材料,其微观组织形成和铸态机械性能与工艺因素有很大关系,如果能在设计阶段就对其微观组织形成和性能进行模拟预测和优化,具有很重要的工程意义。本文首先通过实验研究了球铁微观组织形成与工艺因素的关系,测定了试样的铸态机械性能,得到了微观组织与机械性能关系的数学模型。在实验基础上,根据结晶动力学理论,建立了球铁凝固过程各阶段微观组织形成的数学模型,其中首次提出了石墨球生长的扩散-界面控制模型。根据结晶动力学模型,用C语言实现了球铁微观组织形成的计算机模拟。通过模拟计算确定了晶粒长大过程中的碰撞因子,并从理论上给出了各相形成的相加性证明。模拟了试验铸件的微观组织及机械性能并与实测数据进行了比较,结果表明两者吻合较好。 基于球铁微观模拟的结晶动力学模型,建立了球铁凝固过程中的体积变化模型,提出并实现了定量预测球铁缩孔缩松形成的一种新方法-微观模拟法。该方法首次将微观模拟和缩孔缩松预测耦合,可同时进行微观组织形成模拟和缩孔缩松预测。对T形球铁试块的缩孔缩松形成进行了模拟计算并与用收缩膨胀动态叠加法模拟的结果进行了对比。结果表明,用微观模拟法预测的缩孔缩松的体积大小和分布,其精度高于收缩膨胀动态叠加法。而在缩孔缩松的形状方面,两者预测结果一致并与实测吻合。 综合考虑冶金和工艺因素的影响,进行了铸钢件缩孔缩松形成的试验研究。在实验基础上,提出了铸钢件缩孔形成的三维定量模拟法-等效液面下降法。采用G/2~(1/R)判据预测缩松。该方法在计算过程中,可对边界条件进行重新设置,并首次采用体绘制技术进行缩孔缩松预测结果的后处理。通过对试验铸件的模拟计算,确定了G/2~(1/R)的临界值为0.8。在本文的研究条件下,该临界值与冶金和工艺因素无关。 对实际生产中的球铁件微观组织特别是铸钢件缩孔缩松形成进行了大量模拟计算及生产验证。结果表明,用本文所开发的软件可以对现行工艺设计方案进行评价,对新的工艺方案进行优化设计,并已在生产实际上取得显著的经济和社会效益。


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