[發(fā)明專利]一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310746719.5
• 申請(qǐng)日: 2013-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN103729511B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓延峰;凌李石保;王俊;康茂東;孫寶德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋼鐵行業(yè)成分偏析分析技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件鑄造過程中成分偏析程度的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

成分偏析是合金液凝固時(shí)固有的特性。當(dāng)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(shí)，固液界面將向液相中排除溶質(zhì)；而當(dāng)溶質(zhì)元素在固相中的溶解度大于在液相中的溶解度時(shí)，溶質(zhì)從液相向固相擴(kuò)散，將導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)化效果，同時(shí)，枝晶間形成的低熔點(diǎn)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(xué)性能與焊接性能。

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(kuò)散系數(shù)D_S、液相擴(kuò)散系數(shù)D_L、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(shí)間t_f）、溫度梯度G，而且還與枝晶的生長方式、枝晶形貌等因素密切相關(guān)。

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。基于反向擴(kuò)散的考慮，杠桿模型和Scheil模型是兩種極限情況。

杠桿模型是一種平衡凝固模型，假設(shè)溶質(zhì)在固液兩相均充分?jǐn)U散，即

C_L＝C₀[1-(1-k)f_s]^-1①

式①中，C_L為液相溶質(zhì)濃度，C₀為初始溶質(zhì)濃度，f_s為固相分?jǐn)?shù)，k為溶質(zhì)分配系數(shù)。

Scheil模型也稱為非平衡杠桿模型，其中假設(shè)溶質(zhì)在液相中充分?jǐn)U散且固相無擴(kuò)散，模型中沒有考慮形核過冷、枝晶臂粗化、宏觀物質(zhì)傳輸及氣孔的形成，即

C_L＝C₀(1-f_s)^(k-1)②

顯然，當(dāng)固相分?jǐn)?shù)f_S=1時(shí)C_L趨向于無窮大，因此Scheil模型不能對(duì)最終的溶質(zhì)濃度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

H.D.Brody&M.C,Flemings考慮到凝固過程中溶質(zhì)元素的反擴(kuò)散，即有

C_L＝C₀[1-(1-2αk)f_s]^{(k-1)/(1-2αk)}③

式③中，α為無量綱的溶質(zhì)擴(kuò)散因子，或稱無量綱的擴(kuò)散時(shí)間（Fourier數(shù)），它表示了固相中的擴(kuò)散邊界層厚度δ_s與系統(tǒng)尺寸L的比例關(guān)系，可表示為：

α=DstfL2]]>④

當(dāng)α=0即固相中無擴(kuò)散，式③簡化為Scheil模型；

當(dāng)α=0.5時(shí)，式③簡化為杠桿模型。

W.Kurz等人對(duì)α值進(jìn)行了修正，提出以α′代替α，即