双辊薄带连铸过程Fe-0.4％C二元合金薄带凝固组织模拟

摘要

本文以双辊薄带连铸工艺为背景，采用有限元软件CALCOSOFT3D对Fe-0.4％C二元合金的薄带凝固过程微观组织形成进行了模拟。采用两套不同的网格分别用来计算热流与品粒生长，宏观温度场计算采用较粗的网格进行划分计算，较细小的网格进行微观组织模拟计算。宏观温度场和微观生长过程之间的联系采用“全”耦合模式。此外，微观组织模拟形核模型采用Rappaz等提出的连续性形核模型，生长模型采用KGT模型。 本文对双辊薄带连铸过程中Fe-0.4％C合金薄带凝固微观组织的模拟计算，主要考察了工艺参数如浇注温度，冷却条件以及金属材料的凝固参数如形核过冷度、形核密度和标准方差等对最终晶粒组织的影响，同时本文还对有/无自然对流情况进行了对比。结论如下： (1)对文献中的Fe-0.4％C合金实验结果及Al-4.5％Cu合金凝固实验结果进行了相应模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。 (2)改变工艺参数发现：1、低过热度时，凝固界面前沿会有粗大等轴晶出现，易发生CET转变，随着过热度增大，凝固前沿等轴晶逐渐消失，柱状晶逐渐占据主要地位。2、对流换热系数小时，溶液凝固较慢，凝固界面前沿晶核容易长大为等轴晶，随着对流换热系数增大，壁面柱状晶迅速长大，获得的组织以柱状晶为主。模拟结果显示，晶粒组织生长演变规律与文献中实验结果描述相近。 (3) 凝固参数对金属微观组织影响：1、在一定范围内改变溶液内部平均形核过冷度值大小，对最终品粒组织影响有限；2、低形核密度，组织以柱状晶为主，增大形核密度，柱状晶粗大等轴品共存，当形核密度继续增大，可获得完全细小等轴晶组织；3、壁面形核密度增大，柱状晶一次枝晶问距逐渐减小，晶粒密度增大。 (4)因为模型空间尺寸较小，自然对流引起的速度数量级仅为10-5m/s，所以宏观上看温度场及微观组织变化不明显。

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文摘

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 微观组织模拟的研究及发展概况

1.3.1 确定性模拟方法(Determinstic Method)

1.3.2 概率性模型(Probability Method)

1.3.3 相场法(Phase-field Method)

1.3.4 三种方法的比较

1.4 薄带连铸凝固组织研究情况

1.5 存在的问题

1.6 本文的研究内容

第二章 金属凝固理论及数学模型

2.1 晶粒形核

2.1.1 均质形核

2.1.2 非均质形核

2.2 品粒生长理论

2.3 宏观温度场、浓度场模拟数学模型

2.3.1 宏观模拟

2.3.2 溶质传输模型

2.4 元胞自动机模型

2.4.1 形核模型

2.4.2 枝晶尖端生长动力学模型

2.5 宏微观耦合计算模型

2.6 固相分数的确定

第三章 CALCOSOFT软件介绍及验证计算

3.1 CALCOSOFT软件介绍

3.2 计算模拟结果与实验对比验证

第四章 双辊连铸薄带凝固组织模拟及结果分析

4.1 引言

4.2 薄带凝固组织区的形成过程

4.3 双辊薄带凝固组织模拟计算及分析

4.3.1 计算模型

4.3.2 不同工艺参数计算结果及分析

4.3.3 凝固参数对凝固组织的影响一

4.3.3 凝固参数对凝固组织的影响二

第五章 自然对流对晶粒组织的影响

第六章 结论与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文及申请的专利

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致谢