浇注温度对半连续铸造组织影响的多尺度模拟

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1、维普资讯http://www.cqvip.com种铸造及有色合金2008年第28卷第4期浇注温度对半连续铸造组织影响的多尺度模拟路贵民周志敏(1．华东理工大学资源与环境工程学院；2．东北大学材料物理与化学研究所)摘要利用多尺度模拟方法研究了半连续铸造时浇注温度对合金凝固组织的影响。建立了描述连续铸造过程的温度场模型及相变模型，通过固相率变化将宏观尺度上的温度场计算和介观尺度上的微观组织模拟耦合起来，将计算得到的AlCu合金在宏观尺度上的稳态温度场数据映射到介观尺度上，利用液固相变区域中元胞的平均过冷度确定连续铸造

2、过程中各个元胞的形核。用元胞自动机方法计算A1-Cu合金在Cu含量为8％和1O％(质量分数，下同)、铸造速度为2．0mm／s、浇注温度分别高于液相线5OK和5K以及液相线时的凝固组织。计算表明，近液相线浇注可获得比常规铸造更好的凝固组织，Cu含量为8％和1O％的A1一Cu合金，可在较大的近液相线温度范围内获得晶粒大小和分布良好的合金组织。关键词半固态；多尺度模拟；近液相线铸造；液固相变中图分类号TG249．7；TB115文献标志码A文章编号1OO1—2249(2008)04—0247—04自从20世纪70年代M．

3、Flemings发现剪切速率了适于多尺度模型的温度场模型及液固相变模型，并用对Sn一15Pb合金凝固影响的特殊成形性以来，金属半液固相过渡区元胞的平均过冷度作为形核概率的计算固态成形技术就受到人们的广泛关注并得到了迅速发参数，对Cu含量为8％和10％(质量分数，下同)的Al—展]。随着半固态成形技术的进步和工业化应用的Cu合金进行了浇注温度对凝固组织的影响的模拟。需要，其成形机理研究及过程模拟引起国内外学者的关1模型注。铸件凝固温度场的数值模拟始于20世纪60年代，近年来，多尺度模拟技术的发展使得人们开始针对圆柱

4、形铸件的半连续铸造过程，取系统经过中关注凝固组织模拟，如对合金凝固过程中的溶质再分配心对称轴的剖面的一半进行计算模拟。规律、合金胞／枝晶转变及其生长过程、二元合金凝固组1．1温度场模型织与显微偏析等。多尺度模拟的主要问题是宏观金属连续铸造的稳态温度场表达式在柱坐标系下和介观尺度参数的耦合以及组织模拟时的形核和长大的稳态铸造传热方程为模型。在形核模型的研究方面，1966年，Oldfieldl_1。。提出了连续形核模型，把形核密度表示成过冷度的函数。pcpa()+等卜。aT十LOJ~1987年，Rappaz等u提出了

5、准连续形核模型，把形核式中，aT和Y分别表示径向和纵向；，表示凝固金属向密度看作是高斯分布的积分，并对表面和体积内部分别下移动的速度；T为温度；t为时间；为热导率；f为比采用了不同的处理方法，该模型目前广泛应用于枝晶生热容；L为结晶潜热；f为固相率，其变化率为长和共晶生长的模拟中。在长大模型的研究方面，具有af,一3Tr代表性的是描述枝晶生长的KGT模型u和Nastac提3t—T1一T3y、出的基于溶质扩散的生长模型_1，后者对整个固液界式中，T．和T分别为凝固开始和结束温度。面具有更好的适用性。在计算方法上，具

6、有代表性的有温度场边界条件为：①熔体进入结晶器的温度为蒙特卡罗法、相场法和元胞自动机法l_1。蒙特卡罗法浇注温度T。，在铸造过程中保持定值；②在中心对称在20世纪80年代末被用于再结晶晶粒生长的模拟，之轴处为对称边界，有一0；③与冷却水和空气接触的后被用于柱状晶向等轴晶转变和共晶、枝晶组织等问题研究。相场法是近年来发展起来并受人关注的计边界为对流边界，表示为一一h(T—T．、)，其中，h算方法，它以Ginzburg—Landau理论为基础，通过引入相场参量来表示系统在空间和时间上每个位置的物为对流换热系数，T和T

7、分别为边界单元和环境温理状态，其物理基础清晰，但模型复杂。元胞自动机法度，n表示界面法向；④铸件出结晶器后的非物理边界是由Neuman提出的，S．Wolfram对其作了进一步拓条件由与其相邻的内部节点上的温度值外推确定展，此后元胞自动机法在各领域中得到了广泛的应T女一T一3—3T．r2+3T，1(3)用q。本课题针对半连续铸造过程的特点，建立式中，T一、T一和T一。分别为边界点在y方向的第1、收稿日期：2007—09—20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50674032)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(N

8、CET-04—0279)第一作者简介：路贵民，男，1965年出生，教授，华东理工大学资源与环境工程学院，上海(200237)，电话：13918466080，E—mailu—guimin@yahoo．corn．cn247维普资讯http://www.cqvip.com特种铸造及有色合金2008年第28卷第4期第2和第3近邻点的温度值。DE—Dl(1一f)+Df(12)1．2