球墨铸铁凝固显微组织的元胞自动机模拟

发布时间：2019-10-10 01:39

【摘要】：改进了前期工作建立的多相元胞自动机(multi-phase cellular automaton,MCA)模型,模拟以离异共晶方式凝固的球墨铸铁的显微组织演化.在模型中采用局部溶质平衡法计算石墨和奥氏体的生长动力学,并在石墨的生长模型中考虑石墨与Fe的密度比.该模型可以模拟出与实验观测相符合的显微组织形貌.应用该模型模拟分析了石墨与奥氏体的相互作用和竞争生长机制,讨论了冷却速率对凝固结束时石墨球大小和尺寸分布的影响,将模拟结果与实验结果进行了比较.结果表明:奥氏体的析出促进邻近石墨在液相中的生长;奥氏体和石墨两相的生长受C扩散控制;当石墨被奥氏体包围后,生长速度减慢.此外,随着冷却速率的增大,凝固时间缩短,石墨球平均半径减小,不同冷速条件下石墨球尺寸分布的变化规律与实验结果吻合较好.
【图文】：

esurfaceenergyanisotropydtDegreeofthekineticanisotropydkDensityofgraphiterGrDensityofironrFeValue0.49470284.8-901153.7+4.865×%Si4.281.9×10-73.7×10-78801.82×1093.60×1091.5×10-10(T>(Teut-200)℃)1.5×10-10exp(-142100/8.314T)(T≤(Teut-200)℃)5.0×10-90.60.621007930UnitK·%-1K·%-1K·%-1℃%m·Km·KJ·kg-1·K-1J·m-3J·m-3m2·s-1m2·s-1kg·m-3kg·m-3图1不同温度下初始成分C0=4.71%时过共晶球墨铸铁的形貌演变Fig.1Simulatedandexperimentalmorphologiesforahypereutecticspheroidalgraphite(SG)castironwithaninitialcon-centrationC0=4.71%atT=1253℃withfs=1%(a),T=1163℃withfs=3%(b),T=1165℃withfs=6%(c),T=1156℃withfs=35%(d),T=1117℃withfs=91%(e),T=1123℃withfs=97%(f),T=740℃withfs=100%(g)andexperimentresultofFe-3.86%C-2.82%Si[22](h)(Numbersinthefiguresshowthelocalcarbonconcentration,andfsisthetotalsolidfraction)张蕾等:球墨铸铁凝固显微组织的元胞自动机模拟153

第2期较低.随着温度降低至共晶温度,奥氏体形核(图3b).在奥氏体生长过程中先包围与其较近的I号石墨,接着包围II和III号石墨,形成奥氏体壳,并继续生长.由于奥氏体生长过程中排出溶质C,而石墨的生长吸收溶质C,使得奥氏体周围区域的C浓度高于石墨周围的浓度(图3b~g).凝固过程中石墨的生长速度和半径随时间的变化如图4所示,其中生长速度通过石墨平均半径的增长速度计算获得.从图4a中可以看出,凝固开始阶段,3个石墨的生长速度都较快.随着石墨在液相中生长吸收溶质C,使得液相中的C浓度快速下降,石墨周围形成浓度梯度.根据式(7),石墨界面C浓度的降低导致石墨生长速度减慢,随后达到相对稳定的生长速度(图4a),这是因为此时石墨周围浓度基本保持不变(图3b~d).从凝固开始到11s之前,石墨I周围的浓度略高于石墨II和III(图3a~c),所以其生长速度略快于其他2个石墨.然后,奥氏体开始包围石墨I(图3d),奥氏体生长时排出的溶质促进了石墨I的生长,使石墨I的生长速度明显加快.当石墨I完全被奥氏体包裹之后,石墨I的生长速度迅速减慢至低于II号石墨的生长速度,并趋于一个相对稳定值.这是因为石墨在奥氏体中生长时必须通过奥氏体壳吸收溶质,C在奥氏体中的扩散速度较慢,使得被奥氏体完全包裹后的石墨I的生长速度减慢.而此刻石墨II仍在液相中生长,所以其生长速度快于石墨I.随着凝固的进行,奥氏体逐渐接近石墨II和III,这2个石墨在与奥氏体接触和相互作用时的生长速度变化规律与石墨I的情况类似.当其被奥氏体接近和包围时,生长速度明显加快,被完全包围之后,生长速度迅速减慢至一个相对稳态图3模拟的C0=4.65%过共晶球墨铸铁凝固过程中石墨与奥氏体相互作用与竞争生长Fig.3Interactiveandcompetitivegrowthbetweenaustenitedendriteandgraphitenodulesfor
【作者单位】： 东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目51371051~~
【分类号】：TG143.5

【参考文献】

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【共引文献】

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本文编号：2547034