鑄件凝固過程中微觀組織形成的數(shù)值模擬研究是鑄造學(xué)科前沿的研究課題。本文中國鑄造網(wǎng)小編根據(jù)國家自然科學(xué)基金重點項目的要求,選擇球墨鑄鐵件微觀組織形成模擬作為主要研究方向。同時,從微觀模擬的角度研究了球鐵件縮孔縮松預(yù)測。

　　鑄件應(yīng)用歷史悠久。古代人們用鑄件作錢幣、祭器、兵器、工具和一些生活用具。近代，鑄件主要用作機(jī)器零部件的毛坯，有些精密鑄件，也可直接用作機(jī)器的零部件。鑄件在機(jī)械產(chǎn)品中占有很大的比重，如拖拉機(jī)中，鑄件重量約占整機(jī)重量的50～70%，農(nóng)業(yè)機(jī)械中占40～70%，機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)等中達(dá)70～90%。各類鑄件中，以機(jī)械用的鑄件品種最多，形狀最復(fù)雜，用量也最大，約占鑄件總產(chǎn)量的60%。其次是冶金用的鋼錠模和工程用的管道。

　　鑄件也與日常生活有密切關(guān)系。例如經(jīng)常使用的門把、門鎖、暖氣片、上下水管道、鐵鍋、煤氣爐架、熨斗等，都是鑄件。

　　鑄件有多種分類方法：按其所用金屬材料的不同，分為鑄鋼件、鑄鐵件、鑄銅件、鑄鋁件、鑄鎂件、鑄鋅件、鑄鈦件等。而每類鑄件又可按其化學(xué)成分或金相組織進(jìn)一步分成不同的種類。如鑄鐵件可分為灰鑄鐵件、球墨鑄鐵件、蠕墨鑄鐵件、可鍛鑄鐵件、合金鑄鐵件等;按鑄型成型方法的不同，可以把鑄件分為普通砂型鑄件、金屬型鑄件、壓鑄件、離心鑄件、連續(xù)澆注件、熔模鑄件、陶瓷型鑄件、電渣重熔鑄件、雙金屬鑄件等。其中以普通砂型鑄件應(yīng)用最多，約占全部鑄件產(chǎn)量的80%。而鋁、鎂、鋅等有色金屬鑄件，多是壓鑄件。

　　此外,對鑄鋼件縮孔縮松的定量預(yù)測進(jìn)行了較深入的研究。 球墨鑄鐵作為一種重要的工程材料,其微觀組織形成和鑄態(tài)機(jī)械性能與工藝因素有很大關(guān)系,如果能在設(shè)計階段就對其微觀組織形成和性能進(jìn)行模擬預(yù)測和優(yōu)化,具有很重要的工程意義。

　　本文中國鑄造網(wǎng)小編首先通過實驗研究了球鐵微觀組織形成與工藝因素的關(guān)系,測定了試樣的鑄態(tài)機(jī)械性能,得到了微觀組織與機(jī)械性能關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

　　在實驗基礎(chǔ)上,根據(jù)結(jié)晶動力學(xué)理論,建立了球鐵凝固過程各階段微觀組織形成的數(shù)學(xué)模型,其中首次提出了石墨球生長的擴(kuò)散-界面控制模型。根據(jù)結(jié)晶動力學(xué)模型,用C語言實現(xiàn)了球鐵微觀組織形成的計算機(jī)模擬。

　　通過模擬計算確定了晶粒長大過程中的碰撞因子,并從理論上給出了各相形成的相加性證明。模擬了試驗鑄件的微觀組織及機(jī)械性能并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,結(jié)果表明兩者吻合較好。

　　基于球鐵微觀模擬的結(jié)晶動力學(xué)模型,建立了球鐵凝固過程中的體積變化模型,提出并實現(xiàn)了定量預(yù)測球鐵縮孔縮松形成的一種新方法-微觀模擬法。該方法首次將微觀模擬和縮孔縮松預(yù)測耦合,可同時進(jìn)行微觀組織形成模擬和縮孔縮松預(yù)測。對T形球鐵試塊的縮孔縮松形成進(jìn)行了模擬計算并與用收縮膨脹動態(tài)疊加法模擬的結(jié)果進(jìn)行了對比。

　　結(jié)果表明,用微觀模擬法預(yù)測的縮孔縮松的體積大小和分布,其精度高于收縮膨脹動態(tài)疊加法。而在縮孔縮松的形狀方面,兩者預(yù)測結(jié)果一致并與實測吻合。

　　綜合考慮冶金和工藝因素的影響,進(jìn)行了鑄鋼件縮孔縮松形成的試驗研究。在實驗基礎(chǔ)上,提出了鑄鋼件縮孔形成的三維定量模擬法-等效液面下降法。采用G/2~(1/R)判據(jù)預(yù)測縮松。該方法在計算過程中,可對邊界條件進(jìn)行重新設(shè)置,并首次采用體繪制技術(shù)進(jìn)行縮孔縮松預(yù)測結(jié)果的后處理。

　　通過對試驗鑄件的模擬計算,確定了G/2~(1/R)的臨界值為0.8。在本文的研究條件下,該臨界值與冶金和工藝因素?zé)o關(guān)。 對實際生產(chǎn)中的球鐵件微觀組織特別是鑄鋼件縮孔縮松形成進(jìn)行了大量模擬計算及生產(chǎn)驗證。結(jié)果表明,用本文所開發(fā)的軟件可以對現(xiàn)行工藝設(shè)計方案進(jìn)行評價,對新的工藝方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并已在生產(chǎn)實際上取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。中國鑄造網(wǎng)小編推薦大家登錄中國鑄造網(wǎng)技術(shù)文獻(xiàn)頻道查看更多鑄造知識。