Q345钢凝固过程的模拟计算及铸态组织分析

发布时间：2017-10-10 05:30

  本文关键词：Q345钢凝固过程的模拟计算及铸态组织分析

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【摘要】：凝固过程是材料制备成型过程中的一个重要基础阶段，既影响工件轧制和锻压的工艺性能，又不同程度地影响成品的使用性能。因此，控制金属的凝固过程，是提高金属材料力学性能和工艺性能的重要手段。 凝固过程涉及热量，质量和动量的传递，是一个不透明的复杂的过程，，要精确地分析凝固过程十分困难，但依靠计算机来进行数值模拟，可以对铸件形成过程各个阶段场的变化进行模拟计算，从而获得合理的铸造工艺控制参数。 本文以Q345钢为研究对象，运用ProCAST软件分别对Q345钢的常规凝固和定向凝固过程进行仿真模拟计算，研究不同凝固方式下的温度场与凝固组织及Si元素的偏析情况，分析了Q345钢的凝固规律。同时采用ZG-0.03A型真空感应熔炼炉和电磁感应定向生长炉，进行了Q345钢常规凝固试验和定向凝固试验。利用蔡司金相显微镜、扫描电子显微镜及能谱分析仪等设备，对试验钢进行了组织及铸锭缺陷观察。同时将模拟计算结果与试验结果进行对照分析研究，以期获得合理科学的Q345钢铸锭形成控制参数，为实际生产提供理论指导。 通过对Q345钢常规凝固模拟计算得出，过热度对终态铸坯微观组织结构具有较大的影响，晶粒平均半径由75℃过热度的0.2306mm减小到0℃的0.1862mm，并且中心等轴晶率也大大提高了；成分对于Q345钢的铸态组织有直接影响，模拟计算得出优化的成分C、Mn、Si、P、S的含量分别为0.18%、1.60%、0.35%、0.04%、0.04%。 模拟计算小铸锭组织等轴晶率为35.20%，试验钢等轴晶率为34.80%，对比分析数据基本一致。模拟计算得出铸锭宏观缩孔缺陷为=64.6mm，高h=76.92mm的漏斗形状，试验钢缩孔为=61.34mm，高h=78.53mm的不规则漏斗形，试验结果与模拟计算结果相吻合。 定向凝固模拟计算得出，随着凝固速率的增加，二次枝晶臂间距逐渐减小，抽拉速度由50μm/s增大到200μm/s时，二次枝晶臂间距由14.49μm减小到5.80μm，二次枝晶细化程度增加；与此同时，定向凝固试样稳态区溶质元素Si浓度分布均匀性变差。 定向凝固模拟计算凝固组织二次枝晶臂间距，100μm/s拉速下2=11.59μm，150μm/s拉速下2=8.69μm。试样金相组织观察得出，100μm/s拉速下平均二次枝晶臂间距2约为14.96μm，150μm/s拉速下平均二次枝晶臂间距约等于8.33μm。对比模拟计算结果与试验结果，两者数据较为接近，证实了模拟过程与试验过程相吻合。定向凝固试样稳态区线扫描能谱图显示，150μm/s拉速下Si浓度分布较100μm/s起伏大，偏析加重。模拟计算显示，随着拉速的增大，Si浓度均匀性变差。模拟结果与试验结果趋势相一致，模拟计算过程较为科学合理。
【关键词】：Q345钢 ProCAST软件 定向凝固 过热度 铸锭成分优化 偏析
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG244.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-27
• 1.1 凝固过程的发展历程与研究现状11-16
• 1.1.1 凝固过程的发展历程11-13
• 1.1.2 凝固过程的研究现状13-16
• 1.2 Q345 钢种介绍16-18
• 1.2.1 Q345 钢化学成分分类标准16
• 1.2.2 Q345 钢力学性能及用途16-17
• 1.2.3 Q345 钢奥氏体连续冷却转变曲线(CCT 图)17-18
• 1.3 定向凝固技术的发展18-23
• 1.3.1 传统的定向凝固技术19-21
• 1.3.2 先进凝固技术21-23
• 1.4 凝固过程微观组织及偏析的数值模拟23-26
• 1.4.1 凝固过程微观组织数值模拟方法23-25
• 1.4.2 凝固偏析的数值模拟25-26
• 1.5 研究的目的和意义26-27
• 2 研究方法与技术路线27-38
• 2.1 研究技术路线27-28
• 2.2 ProCAST 软件分析及具体应用28-33
• 2.2.1 材料热力学数据库使用28-29
• 2.2.2 CA 模型29-33
• 2.3 Q345 钢常规模铸凝固试验及组织观察33-35
• 2.3.1 Q345 钢的冶炼33-34
• 2.3.2 Q345 钢的成分检测34
• 2.3.3 Q345 钢铸态组织观察34-35
• 2.3.4 Q345 钢铸态夹杂物观察35
• 2.4 Q345 钢定向凝固试验及组织观察35-38
• 2.4.1 Q345 钢定向凝固试样的制备36
• 2.4.2 Q345 钢定向凝固试验36
• 2.4.3 Q345 钢定向凝固组织观察36-38
• 3 CAFE 模型机理分析及应用38-46
• 3.1 凝固过程中晶粒竞争生长分析38-40
• 3.2 晶粒形核与长大机制40-41
• 3.3 高斯参数对微观组织模拟影响的研究41-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 Q345 钢常规凝固过程的模拟计算及试验验证46-70
• 4.1 Q345 钢常规凝固过程的模拟计算46-60
• 4.1.1 常规凝固数学物理模型的建立与模拟参数的选取46-47
• 4.1.2 常规凝固温度场及凝固组织模拟结果与讨论47-48
• 4.1.3 过热度对凝固组织的影响48-50
• 4.1.4 Q345 钢铸锭的成分优化50-60
• 4.2 Q345 钢常规凝固组织分析60-68
• 4.2.1 Q345 钢常规凝固铸锭缺陷分析61-62
• 4.2.2 Q345 钢常规凝固铸态显微组织分析62-65
• 4.2.3 Q345 钢常规凝固铸态夹杂物分析65-68
• 4.3 Q345 钢常规凝固模拟计算结果与试验验证68-69
• 4.4 本章小结69-70
• 5 Q345 钢定向凝固模拟计算及试验验证70-81
• 5.1 Q345 钢定向凝固的模拟计算70-74
• 5.1.1 定向凝固数学物理模型的建立与模拟参数的选取70-71
• 5.1.2 定向凝固温度场及凝固过程模拟结果与讨论71-72
• 5.1.3 定向凝固微观组织二次枝晶臂间距模拟结果与讨论72-73
• 5.1.4 定向凝固溶质元素 Si 浓度分布模拟结果与讨论73-74
• 5.2 Q345 钢定向凝固组织分析74-79
• 5.2.1 Q345 钢定向凝固初始生长区分析75-76
• 5.2.2 Q345 钢定向凝固稳态区及淬火界面组织分析76-77
• 5.2.3 Q345 钢定向凝固稳态区 Si 偏析情况分析77-79
• 5.3 Q345 钢定向凝固模拟结果与试验验证79
• 5.4 本章小结79-81
• 结论81-82
• 参考文献82-87
• 在学研究成果87-88
• 致谢88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 刘东戎;桑宝光;康秀红;李殿中;;考虑固相移动的大尺寸钢锭宏观偏析数值模拟[J];物理学报;2009年S1期

2 刘林;张军;沈军;黄太文;傅恒志;;高温合金定向凝固技术研究进展[J];中国材料进展;2010年07期

3 高瑞珍,陈慧青;稀土元素对钢的凝固特性及结晶组织的影响[J];稀土;1985年03期

4 景财良;许志刚;王郢;王新华;王万军;;72A帘线钢小方坯凝固组织的CAFE法模拟[J];铸造技术;2011年06期

5 张卫国;刘林;赵新宝;屈敏;余竹焕;傅恒志;;定向凝固高温合金的研究进展[J];铸造;2009年01期

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本文编号：1004625