鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鑄件凝固過(guò)程中所形成的晶粒組織直接決定著鑄件的力學(xué)性能和使用性能。例 如，螺旋槳的葉片希望獲得單方向生長(zhǎng)的柱狀晶或是單晶，因?yàn)樵摲N鑄件在使用過(guò)程中強(qiáng) 調(diào)單方向性能。柱狀晶組織或單晶組織具有突出的抗熱沖擊性能、高的高溫抗蠕變力以及 中溫塑性，能夠延長(zhǎng)葉片的疲勞壽命，從而延長(zhǎng)葉片的使用壽命。而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)則希望在凝 固過(guò)程中獲得大量細(xì)小等軸晶。由于等軸晶的晶界面積較大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且 等軸晶粒各向同性，這會(huì)提高鑄件力學(xué)性能的均勻性。細(xì)小等軸晶還有助于提高抗疲勞性 能。因此控制鑄件晶粒組織是提高鑄件產(chǎn)品力學(xué)性能的有效手段。采用實(shí)驗(yàn)方法探尋晶粒 組織形成特點(diǎn)具有盲目性，而且還會(huì)增加產(chǎn)品成本，浪費(fèi)了人力、物力和財(cái)力，也污染了環(huán) 境。因此通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法預(yù)測(cè)鑄件晶粒組織，根據(jù)模擬結(jié)果不斷優(yōu)化鑄造工藝，直至 得到具有所需晶粒組織的鑄件。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)晶粒組織形成，是提高鑄件產(chǎn)品 質(zhì)量的一個(gè)重要手段，也是高科技推動(dòng)傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
[0003] 鑄件晶粒組織主要呈現(xiàn)三種形貌：緊貼鑄型內(nèi)表面的細(xì)小等軸晶（晶粒輪廓線為 球形），也稱(chēng)激冷區(qū)；鄰近激冷區(qū)的柱狀晶（晶粒輪廓線近似長(zhǎng)形），柱狀晶組成的區(qū)域稱(chēng)為 柱狀晶區(qū)；鄰近柱狀晶區(qū)的較粗大等軸晶（晶粒輪廓線近似圓形），較粗大等軸晶組成的區(qū) 域?yàn)榈容S晶區(qū)。晶粒組織的形成是凝固過(guò)程中冶金傳輸?shù)慕Y(jié)果。凝固過(guò)程中存在四種基本 傳輸現(xiàn)象：熱量傳輸、溶質(zhì)傳輸、液相動(dòng)量傳輸和固相動(dòng)量傳輸。目前廣泛使用的晶粒組織 模擬方法為有限元-元胞自動(dòng)機(jī)法（FE-CA)和有限差分-元胞自動(dòng)機(jī)法（FDM-CA)，這兩種 方法在預(yù)測(cè)凝固組織方面存在的問(wèn)題是：當(dāng)耦合固相動(dòng)量傳輸（等軸晶粒運(yùn)動(dòng)）時(shí)計(jì)算非 常復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，這難以符合生產(chǎn)實(shí)際中"提高效率、縮短時(shí)間"的要求。這就強(qiáng)調(diào)所開(kāi) 發(fā)的鑄件晶粒組織數(shù)值模擬方法不但包含了等軸晶粒運(yùn)動(dòng)對(duì)凝固組織形成的影響，還要盡 量簡(jiǎn)化模型并且縮短計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量。這在深入探尋晶粒移動(dòng)對(duì)組織形成的影響規(guī)律和 開(kāi)發(fā)鑄造工藝控制晶粒組織方面均具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的目前晶粒組織模擬中計(jì)算晶粒移動(dòng)所導(dǎo)致的計(jì) 算量大以及計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，而提出一種鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬方法。
[0005] -種鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬方法，鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬 方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0006] 步驟一、在XXY米鑄錠系統(tǒng)的X方向和Y方向上，分別以X方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)AX 和Y方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)Ay進(jìn)行宏觀尺度網(wǎng)格剖分，形成一系列計(jì)算網(wǎng)格，且由（j，k)A" = 2表示計(jì)算網(wǎng)格的類(lèi)型，z取0、4、5、6、7和8時(shí)分別鑄錠網(wǎng)格、內(nèi)冷鐵網(wǎng)格、外冷鐵網(wǎng)格、冒 口套網(wǎng)格、保溫材料網(wǎng)格和絕熱材料網(wǎng)格；
[0008] 步驟二、在t時(shí)刻針對(duì)所有z= 0類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格（j，!^)。^ =。，獲得t時(shí)刻下鑄件 內(nèi)等軸晶晶核密度的分布；
[0009] 步驟三、針對(duì)所有z辛0類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格（j，k)eha#。，計(jì)算能量守恒方程，獲得溫 度T分布：
[0010] [H] =CpT,
[0012] 步驟四、重復(fù)步驟二和步驟三，直到在t*時(shí)刻下所有z= 0的計(jì)算網(wǎng)格（j，k) ^ = 。中最高溫度小于液相線溫度，記錄C時(shí)刻下所有計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。& =。對(duì)應(yīng)的等軸晶晶 核密度
[0013] 步驟五、采用CA法則進(jìn)行晶粒組織模擬：
[0014] 將宏觀尺度計(jì)算網(wǎng)格（j，k)^ =。進(jìn)行CA網(wǎng)格剖分形成Mm11 ?Nrell個(gè)CA網(wǎng)格，CA 網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)為（j，;之后將步驟四中所有計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。^ =。對(duì)應(yīng)的 等軸晶晶核密度NifelR化為晶核個(gè)數(shù)，并在CA網(wǎng)格中進(jìn)行分配；其中，jOTll的取值范圍是
質(zhì)擴(kuò)散率，單位為m2s\mi表示液相線斜率，Kwt% \q表示平衡分配系數(shù)，C。表示合金初 始成分；r表不吉布斯-湯姆森系數(shù)，IY表不液相線溫度；
[0017] 步驟七、設(shè)定C時(shí)刻后，固相均停止運(yùn)動(dòng)，即f=O;重復(fù)步驟二、步驟三和步驟六， 直至凝固結(jié)束，輸出晶粒組織。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為：
[0019] 本發(fā)明是設(shè)計(jì)了鑄件中晶粒組織模擬的方法。由于固相運(yùn)動(dòng)是凝固過(guò)程中固有的 一種物理現(xiàn)象，在預(yù)測(cè)凝固晶粒組織形成過(guò)程中，考慮固相移動(dòng)對(duì)晶粒組織的影響，分別針 對(duì)鑄錠系統(tǒng)中鑄錠網(wǎng)格、內(nèi)冷鐵網(wǎng)格、外冷鐵網(wǎng)格、冒口套網(wǎng)格、保溫材料網(wǎng)格和絕熱材料 網(wǎng)格等不同類(lèi)型網(wǎng)格進(jìn)行能量守恒方程、成分守恒方程、等軸晶晶核密度、固相分?jǐn)?shù)守恒方 程、液相動(dòng)量守恒方程、固相動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程的計(jì)算，獲得鑄件內(nèi)等軸晶晶核 密度的分布、獲得溫度T分布，然后采用CA法則進(jìn)行晶粒組織模擬，計(jì)算標(biāo)號(hào)為I^11) _^的CA網(wǎng)格計(jì)算生長(zhǎng)速度，直至凝固結(jié)束，輸出晶粒組織。從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了凝 固晶粒組織形成，相比目前晶粒組織預(yù)測(cè)中在考慮固相移動(dòng)所需的計(jì)算時(shí)間而言，縮短了 60-70%，且將計(jì)算量降低80%左右，解決目前晶粒組織預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)和計(jì)算量大的問(wèn) 題。
[0020] 另外，本發(fā)明適用于各類(lèi)尺寸的砂型和金屬型中晶粒組織的預(yù)測(cè)。利用本發(fā)明可 以更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)晶粒組織形成，從多個(gè)方面為工藝改進(jìn)提供幫助，市場(chǎng)應(yīng)用潛力巨大，一 旦被廣泛采用，將有百萬(wàn)元以上的產(chǎn)值。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明涉及的鑄造系統(tǒng)；
[0022] 圖2為與實(shí)施例1形成對(duì)比的凝固實(shí)驗(yàn)所得凝固晶粒組織；
[0023] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中采用本方法，考慮固相移動(dòng)模擬所得晶粒組織；
[0024] 圖4為本發(fā)明與施例1形成對(duì)比的不考慮固相移動(dòng)模擬所得晶粒組織；
[0025] 圖5為本發(fā)明流程圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0026] 一：
[0027] 本實(shí)施方式的鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬方法，鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù) 值的模擬方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0028] 步驟一、鑄錠系統(tǒng)的大小為XXY米，在此鑄錠系統(tǒng)的X方向和Y方向上，分別以X 方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)AX和Y方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)Ay進(jìn)行宏觀尺度網(wǎng)格剖分，形成一系列計(jì) 算網(wǎng)格，且由（j，10。^ = 2表示計(jì)算網(wǎng)格的類(lèi)型，z取0、4、5、6、7和8時(shí)分別鑄錠網(wǎng)格、內(nèi)冷 鐵網(wǎng)格、外冷鐵網(wǎng)格、冒□套網(wǎng)格、保溫材料網(wǎng)格和絕熱材料網(wǎng)格；
[0029] 其中，AX=Ay，AX和Ay的取值范圍都為IX10 3~4X10 3米；j、k和z均為
[0030] 步驟二、在t時(shí)刻針對(duì)所有z= 0類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。& =。，獲得t時(shí)刻下鑄件 內(nèi)等軸晶晶核密度的分布；
[0031] 步驟三、針對(duì)所有z辛0類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格（j，k)eha#。，計(jì)算能量守恒方程，獲得溫 度T分布：
[0032] [H] =cpT,
[0034] 步驟四、重復(fù)步驟二和步驟三，直到在t*時(shí)刻下所有z= 0的計(jì)算網(wǎng)格（j，k)= 。中最高溫度小于液相線溫度，記錄C時(shí)刻下所有計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。& =。對(duì)應(yīng)的等軸晶晶 核密度Nida;
[0035] 步驟五、采用CA法則進(jìn)行晶粒組織模擬：
[0036] 將宏觀尺度計(jì)算網(wǎng)格（j，k) ^ =。進(jìn)行CA網(wǎng)格剖分形成MHCA網(wǎng)格，CA 網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)為（j，;之后將步驟四中所有計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。^ =。對(duì)應(yīng)的 等軸晶晶核密度N^ldeiR化為晶核個(gè)數(shù)，并在CA網(wǎng)格中進(jìn)行分配；其中，jMll的取值范圍是
質(zhì)擴(kuò)散率，單位為m2s\mi表示液相線斜率，Kwt% \q表示平衡分配系數(shù)，C。表示合金初 始成分；F表示吉布斯-湯姆森系數(shù)，1；表示液相線溫度；CA法則技術(shù)是指采用四鄰居法 則進(jìn)行網(wǎng)格捕捉，體現(xiàn)晶粒的生長(zhǎng)；
[0039] 步驟七、設(shè)定t*時(shí)刻后，固相均停止運(yùn)動(dòng)，即I=O;重復(fù)步驟二、步驟三和步驟六， 直至凝固結(jié)束，輸出晶粒組織。
【具體實(shí)施方式】 [0040] 二：
[0041] 與【具體實(shí)施方式】一不同的是，本實(shí)施方式的鑄件晶粒組織形成相關(guān)數(shù)值的模擬方 法，步驟二所述獲得t時(shí)刻下鑄件內(nèi)等軸晶晶核密度的分布的過(guò)程為，
[0042] 步驟二一、計(jì)算能量守恒方程，
[0043] hs=cPT，
[0044] hj=cPT+AH,
[0045] [H] =fshs+ (l_fs) Ii1，求得鑄錠內(nèi)溫度T的分布：
cp表不合金比熱，[H]表不混合熱洽，P表不合金密度，A表不合金導(dǎo)熱系數(shù)，AH表不結(jié) 晶潛熱，T表示鑄錠網(wǎng)格內(nèi)部溫度，fs表示固相分?jǐn)?shù)，f:表示液相分?jǐn)?shù)f:= 1-fs，t表示時(shí) 間，躉表示固相移動(dòng)速度，$表示液相流動(dòng)速度，％和€在Os時(shí)的值均為Oms1;
[0047] 步驟二二、計(jì)算成分守恒方程：
[0054] 步驟二四、計(jì)算等軸晶晶核密度守恒方程：
[0055] 首先，判斷在t時(shí)刻下，z= 0類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格（j，IOdliff =。是否存在等軸晶形核， 并針對(duì)z= 0類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算通過(guò)過(guò)冷度根據(jù)公式AT(j,k) t=T1-TU,k) 1，若AT(Ik)^ATaIOtAt，則表明計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。& =。中存在等軸晶形核現(xiàn)象，形核密 度計(jì)算基于高斯形核分布公式：
[0057] 若AT(j，k)SAT(j，k) 1At，則表明計(jì)算網(wǎng)格（j，k)& =。中沒(méi)有發(fā)生等軸晶形 核現(xiàn)象；
[0058] 其次，計(jì)算軸晶晶核密度守恒方程：
下的過(guò)冷度，單位S°C;AT(j，k)tAt表示計(jì)算網(wǎng)格（j，k)。^ =。在t_At時(shí)刻下的過(guò)冷度， 單位為°〇 ;At表不時(shí)間步長(zhǎng)；Nnudei表不計(jì)算網(wǎng)格（j，k)=。在t時(shí)刻下的等軸晶晶核 密度，單位為m3;N=L表示計(jì)算網(wǎng)格=。在t-At時(shí)刻下的等軸晶晶核密度；