[發(fā)明專利]一種包晶鋼凝固枝晶組織相變行為預測方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110482061.6
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113139294A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設計）人: 朱苗勇;楊一鳴;羅森;王衛(wèi)領(lǐng)
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C20/10;G06F111/10
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 徐笑陽

本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，尤其是連續(xù)鑄造工藝方面，提供一種包晶鋼凝固枝晶組織相變行為預測方法。主要步驟包括：1.收集所研究包晶鋼樣的材料物性參數(shù)，及各成分的含量比重；2.基于多相場理論建立耦合溶質(zhì)場、包含δ、γ、L三相且含各向異性的多相場模型；3.根據(jù)步驟1獲得的各項參數(shù)值，求解多相場模型，獲得包晶鋼凝固枝晶組織相變行為數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更為直觀的圖像形式，實現(xiàn)可視化，預測包晶鋼凝固枝晶組織相變行為。本發(fā)明可以再現(xiàn)包晶鋼凝固過程中基于等軸晶(δ鐵素體)的包晶(γ奧氏體)相變過程，為實際包晶鋼連鑄生產(chǎn)過程提供可靠的量化信息。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冶金連鑄技術(shù)領(lǐng)域，一種包晶鋼凝固枝晶組織相變行為預測方法。

背景技術(shù)

連鑄機的誕生使鋼鐵材料的生產(chǎn)效率達到了新的高度，連鑄坯的生產(chǎn)過程就是將液態(tài)的高溫鋼液注入結(jié)晶器，通過在結(jié)晶器以及二冷區(qū)的冷卻凝固使其成為固態(tài)鋼材。正是如此大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)，使得鋼鐵材料的價格不斷降低，有力的推動了人類社會的發(fā)展。隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，包晶鋼的生產(chǎn)應用越來越廣泛。例如軸承合金，軸在轉(zhuǎn)動過程中不可避免地要發(fā)生摩擦和磨損，這就需要通過包晶反應形成軟的固溶體，并把硬的化合物質(zhì)點包圍起來，來極大地提高軸承使用壽命。21世紀以來，隨著經(jīng)濟社會的繼續(xù)發(fā)展，高速鐵路、海洋、航天等行業(yè)對鋼鐵材料的性能要求越來越高，因此如何有效的提高鋼鐵材料的性能與品質(zhì)是鋼鐵行業(yè)面臨的重要問題之一。在冶金連鑄領(lǐng)域，一般將碳含量在0.09％～0.53％范圍內(nèi)的鐵碳合金稱為包晶鋼，其特點是在凝固過程中會發(fā)生包晶反應，由于包晶鋼具有優(yōu)良的性能，使其在所有鋼種生產(chǎn)應用中占據(jù)60％～70％。然而，在包晶鋼的生產(chǎn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)裂紋、偏析等缺陷，對其質(zhì)量影響很大，嚴重降低了產(chǎn)品的合格率。

從微觀角度出發(fā)，鋼液凝固就是晶粒異質(zhì)形核、均質(zhì)形核及生長的過程，隨著相變過程的進行，溶質(zhì)會富集在枝晶臂間隙和枝晶的間隙，使富集處凝固溫度降低，因此，在熱應力作用下極易產(chǎn)生裂紋。在鋼液的凝固過程中，δ-鐵素體的初晶相與殘余液體(L)反應，通過包晶反應而產(chǎn)生γ-奧氏體的二次晶相(L+δ＝γ)。與此同時，在δ-鐵素體表面形成的γ-奧氏體與δ-鐵素體會發(fā)生由δ相到γ相的包晶轉(zhuǎn)變(δ-γ)過程，將兩個凝固進程結(jié)合起來統(tǒng)稱為包晶相變過程。由于鐵素體和奧氏體密度的不同，在發(fā)生包晶反應時會造成凝固殼體積收縮，極易導致明顯的裂紋產(chǎn)生，而包晶反應形成的軟固溶體對鋼材性能又有較大提升。因此，包晶鋼凝固相變過程晶粒生長的研究對預測包晶鋼的裂紋、偏析等缺陷具有重要意義，并可在包晶鋼實際生產(chǎn)過程中提供相關(guān)的理論指導。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種包晶鋼凝固枝晶組織相變行為預測方法，旨在克服現(xiàn)存的相關(guān)技術(shù)問題。本發(fā)明利用相場數(shù)值模擬方法，建立包晶鋼凝固多相場數(shù)值模型，預測包晶鋼凝固過程枝晶組織相變行為，再現(xiàn)包晶鋼凝固過程微觀晶粒生長過程，并且通過利用計算機模擬可避免大量現(xiàn)場試驗帶來的人力、時間以及資金的消耗。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種包晶鋼凝固枝晶組織相變行為預測方法，包括以下步驟：

步驟1：收集包晶鋼樣的材料物性參數(shù)，及各成分的含量比重；

步驟2：基于多相場理論建立耦合溶質(zhì)場、包含δ、γ、L三相且含各向異性的多相場模型；

步驟3：根據(jù)步驟1獲得的各項參數(shù)值，求解多相場模型，獲得包晶鋼凝固枝晶組織相變行為數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更為直觀的圖像形式，實現(xiàn)可視化，預測包晶鋼凝固枝晶組織相變行為。

進一步地，所述步驟1中的材料物性參數(shù)包括γ液相線斜率、δ液相線斜率、熔點溫度、及摩爾體積。

進一步地，所述步驟2為：基于金茲堡-朗道類型自由能形式，引入多相場模型序參量φ，其值范圍在0-1之間變化，為了區(qū)分表示各相之間的序參量值，對多相場序參量φ引入下標i、j、k表示不同相，通過自由能密度變化建立用于數(shù)值模擬的多相場模型，預測包晶鋼凝固過程枝晶組織相變行為，具體方法為：