一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，包括：（1）利用商業(yè)化JMatPro軟件的熱物理參數(shù)計算模塊計算獲得合金的熱物性參數(shù)；（2）應用ProCAST有限元軟件對復雜結(jié)構(gòu)鑄件的鑄造充型、凝固過程進行仿真模擬，獲取鑄件各個部位的溫度場數(shù)據(jù)；（3）利用ProCAST軟件自帶的二次枝晶間距計算模塊計算鑄件各結(jié)構(gòu)部位的二次枝晶間距值；（4）計算復雜結(jié)構(gòu)鑄件各結(jié)構(gòu)部位的MSI偏析指數(shù)，并根據(jù)MSI偏析指數(shù)大小判定鑄件各結(jié)構(gòu)部位的微觀偏析程度。本發(fā)明借助有限元軟件和熱力學計算軟件，結(jié)合鑄造實踐，有效預測復雜結(jié)構(gòu)鑄件各結(jié)構(gòu)部位的溶質(zhì)元素的微觀偏析程度，應用范圍廣。
【專利說明】一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼鐵行業(yè)成分偏析分析【技術領域】，具體地，涉及一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法。
【背景技術】
[0002]成分偏析是合金液凝固時固有的特性。當溶質(zhì)元素在固相中的溶解度小于其在液相中的溶解度時，固液界面將向液相中排除溶質(zhì)；而當溶質(zhì)元素在固相中的溶解度大于在液相中的溶解度時，溶質(zhì)從液相向固相擴散，將導致固液界面前沿出現(xiàn)溶質(zhì)貧乏區(qū)。這種由于合金凝固過程中溶質(zhì)的再分配導致合金凝固后的成分不均勻，即為成分偏析。通常，溶質(zhì)元素在液相中的溶解度比在固相中高，因此溶質(zhì)有脫離凝固相而被推到前沿液體中的傾向，末凝固部分富含溶質(zhì)的液體被生長的枝晶臂分割，形成成分偏析區(qū)域。成分偏析是鑄件的主要缺陷之一，降低合金固溶強化效果，同時，枝晶間形成的低熔點析出相，在鑄件的焊接過程中容易成為裂紋源，降低鑄件的力學性能與焊接性能。
[0003]根據(jù)經(jīng)典凝固理論可知，在一般的合金凝固條件下，微觀尺度的溶質(zhì)再分配行為以及產(chǎn)生的微觀偏析不僅取決于合金的物性參數(shù)(如固相擴散系數(shù)Ds、液相擴散系數(shù)、溶質(zhì)分配系數(shù)k)及外部工藝條件如凝固速率V (或者局部凝固時間~)、溫度梯度6，而且還與枝晶的生長方式、枝晶形貌等因素密切相關。
[0004]最簡單的解析模型是局部平衡凝固條件下的Lever解析模型和Scheil解析模型，其它都是修正型解析模型?；诜聪驍U散的考慮，杠桿模型和Scheil模型是兩種極限情況。
[0005]杠桿模型是一種平衡凝固模型，假設溶質(zhì)在固液兩相均充分擴散，即
[0006]
【權利要求】
1.一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)獲取計算用熱物性參數(shù) 利用商業(yè)化JMatPro軟件的熱物理參數(shù)計算模塊獲得合金的熱物性參數(shù)，參數(shù)包括溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k、液相擴散系數(shù)隊、固相擴散系數(shù)Ds、合金初始凝固溫度T1、共晶反應溫度Ts; (2)獲取鑄件各個部位的溫度場數(shù)據(jù) 應用ProCAST有限元軟件對復雜結(jié)構(gòu)鑄件的鑄造充型、凝固過程進行仿真模擬，獲取鑄件各個部位的溫度場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括金屬液的凝固速度V、局域凝固時間tf ;或者局域凝固時間tf、凝固速度V通過熔模精密鑄造與模擬分析相結(jié)合的方法獲??； (3)獲取鑄件各結(jié)構(gòu)部位處二次枝晶間距入2 利用ProCAST有限元軟件自帶的二次枝晶間距計算模塊計算鑄件各結(jié)構(gòu)部位的二次枝晶間距λ 2;或者二次枝晶間距λ 2通過熔模精密鑄造與模擬分析相結(jié)合的方法獲??； (4)計算鑄件各結(jié)構(gòu)部位處偏析指數(shù)MSI值 把從ProCAST有限元軟件獲取的凝固參數(shù):金屬液的凝固速度V、局域凝固時間tf、二次枝晶間距λ 2，以及JMatPiO軟件得到的熱物理參數(shù):溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k、液相擴散系數(shù)隊、固相擴散系數(shù)Ds，代入微觀偏析程度判定指數(shù)MSI式中，并借助ProCAST有限元軟件的ViewCAST模塊，計算出復雜結(jié)構(gòu)鑄件各結(jié)構(gòu)部位的偏析指數(shù)MSI，根據(jù)復雜結(jié)構(gòu)鑄件各結(jié)構(gòu)部位的偏析指數(shù)MSI值的大小判定鑄件各結(jié)構(gòu)部位的微觀偏析程度:偏析指數(shù)MSI越大，微觀偏析越嚴重，凝固末期形成的枝晶間析出相含量就越高；其中:

2.根據(jù)權利要求1所述的一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，其特征在于，所述局域凝固時間tf、凝固速度V通過熔模精密鑄造與模擬分析相結(jié)合的方法獲取，具體為:針對固定的K4169合金，基于固定的鑄件模型和鑄造工藝條件，進行實際鑄造得到鑄件，鑄造過程中，在鑄件特征結(jié)構(gòu)部位預先放置耐高溫熱電偶，實時測量鑄造過程金屬液的冷卻曲線，一方面，結(jié)合JMatPiO軟件對K4169合金進行相圖獲得開始凝固溫度T1及凝固結(jié)束溫度Ts，即可獲得局域凝固時間tf和冷卻速度R，其中:局域凝固時間~即為金屬液開始凝固至凝固結(jié)束所經(jīng)歷的時間，而冷卻速度R通過公式R = -(Ts-T1)Af獲得；另一方面，結(jié)合多支熱電偶的位置，獲得指定部位的溫度梯度G，再根據(jù)公式R=-GV獲得指定部位金屬液的凝固速度V ； 最后將熱電偶的實際測量值與模擬值進行比較，若兩者相同，則認為該模擬獲得的局域凝固時間tf、凝固速度V即為鑄件的局域凝固時間tf、凝固速度V，反則若兩則不相同，則調(diào)整模型邊界條件設置，再進行模擬，直到兩者相同。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，其特征在于，所述二次枝晶間距λ 2通過熔模精密鑄造與模擬分析相結(jié)合的方法獲取，具體為:針對固定的Κ4169合金，基于固定的鑄件模型和熔模鑄造工藝條件，進行實際熔模鑄造得到鑄件，對鑄件進行剖分，將各個結(jié)構(gòu)部位截取金相試樣，采用10gCuCl2+100酒精+100ml鹽酸的混合試劑進行輕微腐蝕，然后進行金相觀察統(tǒng)計二次枝晶間距λ 2的平均值，最后將剖分鑄件獲得的實際二次枝晶間距λ 2值與模擬值進行對比，若兩者相同或者誤差為5%以內(nèi)，則認為該模擬結(jié)果即為鑄件的二次枝晶間距λ 2值，反則若兩則不相同，則調(diào)整模型邊界條件設置，再進行模擬，直到兩者相同或者在誤差范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，其特征在于，步驟(2)中，二次枝晶間距λ2的計算公式為
5.根據(jù)權利要求4所述的一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，其特征在于，M值計算用各參數(shù)從熱力學計算軟件JMatPro或者參考文獻L.NASTAC.NUMERICAL MODELING OF SOLIDIFICATION MORPHOLOGIES AND SEGREGATION PATTERNS INCAST DENDRITIC ALLOYS[J].Acta mater.Vol.17.pp:4253-4262.1999.獲得。
6.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的一種復雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預測方法，其特征在于，在ProCAST計算面板中，根據(jù)不同的合金輸入相應初始凝固溫度T1、共晶反應溫度Ts以及計算出的M值，即能計算出鑄件各結(jié)構(gòu)部位的二次枝晶間距值入2。
【文檔編號】G06F17/50GK103729511SQ201310746719
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權日:2013年12月30日
【發(fā)明者】韓延峰, 凌李石保, 王俊, 康茂東, 孫寶德 申請人:上海交通大學