振动激冷条件下不锈钢等轴晶形核和长大的数值模拟
发布时间：2022-01-04 23:32
作为资源节约型材料,铁素体不锈钢可以取代价格相对昂贵的奥氏体不锈钢应用于家电、厨具等生活用品领域。铁素体不锈钢轧制成形过程容易产生折皱甚至边裂缺陷,降低轧制板材的成材率,从而限制了其广泛应用。近年来,基于凝固过程的基本理论,一种振动激发形核技术被提出。尽管前期研究发现该技术能够显著提高铸锭凝固组织的等轴晶率,但等轴晶的形核及长大条件和机理尚不明确。然而,铁素体不锈钢的凝固过程是一个高温热成形过程,形核和长大过程无法直接实时观测。因此,数值模拟的研究具有十分重要的意义。本文以Cr17作为研究对象,开展了振动条件下铁素体不锈钢凝固过程的数值模拟。宏观模拟方面,通过Gambit软件进行三维几何建模,采用Fluent软件进行数值模拟计算,分析了不同过冷度和振动频率条件下的温度场分布、流场分布、晶粒分布及其运动轨迹和流体的运动轨迹;微观模拟方面,通过元胞自动机（CA）法建立形核（连续形核模型）和生长（KGT模型）的二维数学模型,采用Microsoft Visual Studio 2010软件进行数值模拟计算,分析了不同时刻的晶粒形貌组织。初步探讨了铁素体不锈钢凝固过程中晶粒形核、剥离和长大规律及...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文使用的三维模型
西安建筑科技大学硕士学位论文15行三维几何模型的建立，因为其不仅操作方便，而且非常实用。如图2.1所示，模型的原点是晶核发生器的中心。晶核发生器的尺寸：高为60mm，直径为15mm，而铸型容器的尺寸：高为100mm，直径为50mm。图2.1本文使用的三维模型Fig.2.1Three-dimensionalmodelusedinthisstudy如图2.2所示，三维几何模型采用六面体进行网格划分[83]，其中以Z轴作为晶核发生器的振动方向。由于温度场和流场沿振动方向呈对称分布，本文选择具有代表性的两个点和四个面作为研究和分析对象。图2.2三维几何模型的有限元网格划分Fig.2.2Finiteelementmeshgenerationof3Dgeometricmodel
西安建筑科技大学硕士学位论文18冷度，C；T为标准温度方差，C。该模型认为形核过程应是连续曲线而不是呈现离散的分布状态，并且已经广泛应用于枝晶和共晶合金的研究。图2.3进行了两种模型之间的相互比较[87]，可以明确对比出形核密度与过冷度之间的关系并且可以清晰的确定两种模型中连续形核模型更加贴近实际。图2.3两种形核模型的对比[87]Fig.2.3Comparisonoftwonucleationmodels[87]2.2.2生长模型晶粒的形核过程发生之后便是生长过程。生长模型最开始应用于共晶合金的研究，随着模型的不断改进逐渐可以进行枝晶的相关研究。大部分金属以枝晶的形式进行生长，而枝晶生长类型主要包括定向生长和自由生长。对于枝晶生长的研究模型主要建立在枝晶尖端生长动力学计算的基础上[88]，目前生长模型中最为广泛应用是LGK和KGT模型。（1）LGK模型Lipton等人针对熔体内的自由晶生长提出了经典的LGK[89]模型。熔体中的总过冷度分为四种过冷度，主要包括成分过冷、热过冷、动力学过冷和曲率过冷。由于界面前沿的溶质富集，所以大部分合金在温度和液相线温度之间的值存在一定差异。由浓度差引起的成分过冷关系式如下所示：01Tcmcc*（2-11）式中：m是液相线斜率，1Cwt%；c0是熔体的初始浓度，wt%；c1*是固-液界面溶液浓度，wt%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]K4169高温合金壳体热控凝固工艺的数值模拟及优化[J]. 彭艳锋,王甲贺,国建花,刘贞露,李晓琳,陈佳,孟祥炜,肖文丰. 铸造技术. 2017(04)
[2]再结晶退火对超纯铁素体不锈钢抗皱性的影响[J]. 苏頔璇,陈雨来,李静媛,江来珠,杜伟. 材料热处理学报. 2015(09)
[3]一种新型铁素体不锈钢的深冲性能研究[J]. 张帅,李静媛,杜伟,江来珠. 材料科学与工艺. 2015(01)
[4]化学法对有色金属及合金晶粒细化的研究进展[J]. 夏天东,李庆林,赵文军,汪婷,陈曦. 中国有色金属学报. 2011(10)
[5]铌与钛对铁素体不锈钢析出和成形性的影响[J]. 杜伟,孙全社,江来珠,刘振宇,周恩. 钢铁研究学报. 2010(03)
[6]Ni-Al合金中沉淀相Ni3Al相互关系的微观相场模拟（英文）[J]. 卢艳丽,陈铮,钟汉文,张静. 稀有金属材料与工程. 2009(11)
[7]振动激发金属液形核过程机理的研究[J]. 张慧,陶红标,李峰,王玫,黄卫东,赵沛. 钢铁. 2008(08)
[8]热输入对TCS铁素体不锈钢焊接HAZ组织的影响研究[J]. 张心保,王志斌,赵春林. 金属加工(热加工). 2008(08)
[9]基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程[J]. 付振南,许庆彦,熊守美. 中国有色金属学报. 2007(10)
[10]振动激冷表面晶体形核特性及形核条件研究[J]. 王文礼,林鑫,黄卫东,干勇,张慧,赵沛. 铸造技术. 2007(08)
博士论文
[1]409L铁素体不锈钢凝固组织的细晶均匀化及其机制研究[D]. 王超.上海交通大学 2011
[2]铍激光焊接性研究及焊接过程微观组织模拟[D]. 李玉斌.中国工程物理研究院 2009
[3]基于胞元自动机方法的凝固过程微观组织数值模拟[D]. 陈晋.东南大学 2005
[4]K4169高温合金组织细化及性能优化研究[D]. 杨爱民.西北工业大学 2002
[5]K4169高温合金化学法晶粒细化工艺及机理的研究[D]. 熊玉华.西北工业大学 2000
[6]金属凝固过程微观模拟研究[D]. 王同敏.大连理工大学 2000
硕士论文
[1]热控法细晶铸造K4169合金组织与力学性能研究[D]. 佟玮.哈尔滨工业大学 2012
[2]结晶器温度场和流场的数值模拟[D]. 包云鹏.内蒙古科技大学 2009
[3]振动冷却通道对合金凝固组织的影响研究[D]. 刘文锋.西北工业大学 2007
[4]镍基高温合金凝固过程组织模拟与仿真[D]. 郝志强.北京交通大学 2006
本文编号：3569270
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文使用的三维模型
西安建筑科技大学硕士学位论文15行三维几何模型的建立，因为其不仅操作方便，而且非常实用。如图2.1所示，模型的原点是晶核发生器的中心。晶核发生器的尺寸：高为60mm，直径为15mm，而铸型容器的尺寸：高为100mm，直径为50mm。图2.1本文使用的三维模型Fig.2.1Three-dimensionalmodelusedinthisstudy如图2.2所示，三维几何模型采用六面体进行网格划分[83]，其中以Z轴作为晶核发生器的振动方向。由于温度场和流场沿振动方向呈对称分布，本文选择具有代表性的两个点和四个面作为研究和分析对象。图2.2三维几何模型的有限元网格划分Fig.2.2Finiteelementmeshgenerationof3Dgeometricmodel
西安建筑科技大学硕士学位论文18冷度，C；T为标准温度方差，C。该模型认为形核过程应是连续曲线而不是呈现离散的分布状态，并且已经广泛应用于枝晶和共晶合金的研究。图2.3进行了两种模型之间的相互比较[87]，可以明确对比出形核密度与过冷度之间的关系并且可以清晰的确定两种模型中连续形核模型更加贴近实际。图2.3两种形核模型的对比[87]Fig.2.3Comparisonoftwonucleationmodels[87]2.2.2生长模型晶粒的形核过程发生之后便是生长过程。生长模型最开始应用于共晶合金的研究，随着模型的不断改进逐渐可以进行枝晶的相关研究。大部分金属以枝晶的形式进行生长，而枝晶生长类型主要包括定向生长和自由生长。对于枝晶生长的研究模型主要建立在枝晶尖端生长动力学计算的基础上[88]，目前生长模型中最为广泛应用是LGK和KGT模型。（1）LGK模型Lipton等人针对熔体内的自由晶生长提出了经典的LGK[89]模型。熔体中的总过冷度分为四种过冷度，主要包括成分过冷、热过冷、动力学过冷和曲率过冷。由于界面前沿的溶质富集，所以大部分合金在温度和液相线温度之间的值存在一定差异。由浓度差引起的成分过冷关系式如下所示：01Tcmcc*（2-11）式中：m是液相线斜率，1Cwt%；c0是熔体的初始浓度，wt%；c1*是固-液界面溶液浓度，wt%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]K4169高温合金壳体热控凝固工艺的数值模拟及优化[J]. 彭艳锋,王甲贺,国建花,刘贞露,李晓琳,陈佳,孟祥炜,肖文丰. 铸造技术. 2017(04)
[2]再结晶退火对超纯铁素体不锈钢抗皱性的影响[J]. 苏頔璇,陈雨来,李静媛,江来珠,杜伟. 材料热处理学报. 2015(09)
[3]一种新型铁素体不锈钢的深冲性能研究[J]. 张帅,李静媛,杜伟,江来珠. 材料科学与工艺. 2015(01)
[4]化学法对有色金属及合金晶粒细化的研究进展[J]. 夏天东,李庆林,赵文军,汪婷,陈曦. 中国有色金属学报. 2011(10)
[5]铌与钛对铁素体不锈钢析出和成形性的影响[J]. 杜伟,孙全社,江来珠,刘振宇,周恩. 钢铁研究学报. 2010(03)
[6]Ni-Al合金中沉淀相Ni3Al相互关系的微观相场模拟（英文）[J]. 卢艳丽,陈铮,钟汉文,张静. 稀有金属材料与工程. 2009(11)
[7]振动激发金属液形核过程机理的研究[J]. 张慧,陶红标,李峰,王玫,黄卫东,赵沛. 钢铁. 2008(08)
[8]热输入对TCS铁素体不锈钢焊接HAZ组织的影响研究[J]. 张心保,王志斌,赵春林. 金属加工(热加工). 2008(08)
[9]基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程[J]. 付振南,许庆彦,熊守美. 中国有色金属学报. 2007(10)
[10]振动激冷表面晶体形核特性及形核条件研究[J]. 王文礼,林鑫,黄卫东,干勇,张慧,赵沛. 铸造技术. 2007(08)
博士论文
[1]409L铁素体不锈钢凝固组织的细晶均匀化及其机制研究[D]. 王超.上海交通大学 2011
[2]铍激光焊接性研究及焊接过程微观组织模拟[D]. 李玉斌.中国工程物理研究院 2009
[3]基于胞元自动机方法的凝固过程微观组织数值模拟[D]. 陈晋.东南大学 2005
[4]K4169高温合金组织细化及性能优化研究[D]. 杨爱民.西北工业大学 2002
[5]K4169高温合金化学法晶粒细化工艺及机理的研究[D]. 熊玉华.西北工业大学 2000
[6]金属凝固过程微观模拟研究[D]. 王同敏.大连理工大学 2000
硕士论文
[1]热控法细晶铸造K4169合金组织与力学性能研究[D]. 佟玮.哈尔滨工业大学 2012
[2]结晶器温度场和流场的数值模拟[D]. 包云鹏.内蒙古科技大学 2009
[3]振动冷却通道对合金凝固组织的影响研究[D]. 刘文锋.西北工业大学 2007
[4]镍基高温合金凝固过程组织模拟与仿真[D]. 郝志强.北京交通大学 2006
本文编号：3569270
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