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基于宏—微观模型的球墨铸铁凝固过程数值模拟

郑洪亮  
【摘要】: 球墨铸铁是一种非常重要的工程合金材料,具有良好的力学性能和较好的铸造性能,在整个铸件以及机械产品中占有重要的地位。球墨铸铁件在铸造产品中的比例逐年提高。对于一些要求较高的球墨铸铁件,缩孔、缩松尤其是缩松缺陷是严重影响生产质量,甚至是导致报废的原因。探究工艺因素对球墨铸铁件收缩缺陷的影响规律,对不同生产工艺的球墨铸铁件的缩孔、缩松缺陷的大小、位置进行准确、有效地预测并提出工艺改进建议对缩短试制周期,提高产品质量,降低生产成本,增加企业竞争力具有重要意义。因此,建立一个有效的球墨铸铁件缩松预测模型具有现实的理论价值和应用价值。 作者总结和分析了球墨凝固过程数值模拟及缩松、缩孔的预测的方法和理论模型。发现目前尚没有有效预测球墨铸铁缩松缺陷的方法,提出了由宏-微观凝固理论模型相结合预测球墨铸铁收缩缺陷的新思路。但是现有的形核率计算模型和潜热数据并不能满足对不同工艺因素下生产的球墨铸铁件进行模拟计算的需要。必须进行相关的试验研究,建立适用于球墨铸铁的生产的准确有效的数值计算模型。 用正交试验的方法设计并浇注了一系列的球墨铸铁立板件,研究了碳当量、孕育量和铸件模数(冷却速度)对球墨铸铁件缩松宏观分布的影响规律,提出了不同工艺参数下的球墨铸铁缩松定量计算模型。分析了球墨铸铁件缩松的形成机理和形成过程。研究表明业共晶球墨铸铁中游离奥氏体的存在增大了最后凝固区域的凝固收缩量,发达的枝晶造成补缩通道的阻塞形成缩松。共晶和过共晶球墨铸铁的缩松是液态收缩和石墨化膨胀共同作用的结果。在铸型强度足够的条件下,共晶团的体积膨胀以压力的形式与液态静压力一起直接作用于液态金属,有利于减小缩松体积。根据对球墨铸铁缩松形成机理和形成过程的分析,首次将石墨化膨胀对金属液的压力和金属液自身静压力引入到球墨铸铁缩松预测判据中,建立了球墨铸铁压力条件下的缩松预测模型P·G/R~(1/2)≤K。 采用定量金相分析技术和冷却曲线热分析法,定量的研究了不同碳当量、孕育量和冷却速度的球墨铸铁件的石墨球的形核率。针对不同类型的球墨铸铁的凝固过程,建立了亚共晶、共晶和过共晶球墨铸铁的形核率计算模型。同时给出了形核温度的计算方法和计算模型。 分别用DHA法和DSC法测量并计算了球墨铸铁的潜热数据。分析了碳当量、孕育、冷却速度以及石零球形貌对潜热的影响规律。研究表明球墨铸铁的潜热随碳当量和铸件冷却速度的增大而增大,孕育对潜热影响较小。石墨球的组织形貌时铸铁的潜热有重要影响。石墨球越圆整,潜热越大。建立了球墨铸铁的潜热计算模型。 基于Microsoft Visual Studio 6.0和Windows XP平台用面向对象的程序设计语言Visual C++设计并开发了球墨铸铁凝固过程模拟计算软件TMCast-S.G iron。该软件采用了ActiveX Data Objects(ADO)数据库技术和DLL技术。可以完成不同工艺参数生产的球墨铸铁的凝固过程的温度场、石墨球密度计算和缩孔、缩松预测。通过与实验铸件的验证,表明TMCast-S.G iron计算模型合理,计算准确,可以有效进行球墨铸铁缩孔缩松缺陷的预测,实用性强。


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