球墨铸铁凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究

河北工业大学博士学位论文球墨铸铁凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究姓名：赵维民申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：廖波20061001河北工业大学博士学位论文i球墨铸铁凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究摘要本文概述了铸件凝固过程微观模拟的研究进展，介绍了温度场有限单元法数值模拟的模型和晶粒生长的确定模型和概率模型，提出了目前凝固过程数值模拟的发展方向和需要解决的问题。作者以铸件凝固过程温度场变化为研究对象，根据有限单元法，综合考虑了边界条件、凝固潜热处理等方面，选取了与实际情况相符的数学模型，模拟了铸件温度场。基于温度场结果，依据温度曲线法、温度梯度法对铸件的缩孔进行预测，并结合温度—应力耦合对铸件的热变形、热裂进行了预测。以球墨铸铁为研究对象，根据结晶动力学理论，综合考虑了各研究学者建立的球墨铸铁凝固过程各阶段微观组织形成形核和长大的数学模型，注重了球墨铸铁凝固结晶特性与数学的结合，选取了与实际情况相符的数学模型。在大型CAD和CAE软件平台上，建立起来的铸件凝固过程温度场数值模拟及缩孔、变形和热裂缺陷预测的CAX技术。进而利用该项技术对板锤铸件进行模拟及缺陷预测与铸造工艺优化设计。采用有限单元法对温度场进行数值计算，为微观模拟中宏观传热的计算提供了依据。进而用VisualC++语言，编制了球墨铸铁微观组织形成的软件Hebut-A-Structure。Hebut-A-Structure软件可以预测球墨铸铁凝固过程中各相的形成以及固态转变中铁素体和珠光体的形成，进而可预测球铁铸态力学性能。研究表明：实际生产结果与模拟情况完全吻合，铸件凝固过程温度场数值模拟及缩孔、变形和热裂缺陷预测的CAX技术可以指导实际生产。通过试验结果与模拟结果进行对比，发现两者吻合较好；球状石墨形核与生长主要与过冷有关，冷却速度越快，其形核能力越强、数目越多；共析阶段产生的珠光体与铁素体体积分数则由过冷度与球墨个数两者决定。关键词：球墨铸铁，数值模拟，微观组织，有限元法，温度场球墨铸铁凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究iiAStudyonNumericalSimulationofMicrostructureandShrinkageCavityFormationduringSolidificationProcessofDuctileIronCastingAbstractTheresearchanddevelopmentofsolidificationprocessmodelingarereviewed,themodeloftheFiniteElementMethod(FEM)temperaturefield,deterministicandprobabilisticmodelsofgraingrowtharediscussedandpresentresearchsubjectsandproblemsofsolidificationprocessmodelingareputupinthispaper.TheboundaryconditionandlatentheatistakenintoaccountbyFEM.Themodelsuitabletothepracticalsituationisadopted.BasedonTemperatureCurveMethod(TCM)andTemperatureGradsMethod(TGM),shrinkagecavitiescanbepredicted.Heatdistortionandheatcrackcanbealsopredictedbytemperature-stresscoupling.TakenSG（spheroidalgraphite）castironforexampleandbasedonsolidificationkineticstheories,authorcarefullystudiedallkindsofthenucleationandgrowthmodelsofmicrostructureformationofSGcastironfromsolidificationtoroomtemperatureandpaidmoreattentiontothebothsolidificationcharacteristicofSGcastironandmathematics.TheCAXsimulatinganddefectpredictingtechnologybasedonCAD&CAEsoftwareisestablished.TheCAXtechnologyhasbeenappliedtopredictcastingdefectsandoptimizefoundrytechniquesinthefoundryshop.ThemodelssuitabletothepracticalsituationareadoptedtosimulatethemicrostructureformationofSGcastironandthenthefiniteelementmethod(FEM)isusedforcalculatingthetemperaturefieldofcastingsolidificationprocess,whichisprovidedthefoundationforthenumericalmicrostructure.Finallythesoftware,Hebut-A-StructureisprogrammedbyvisualC++tosimulatethemicrostructureformationofSGcastiron.Itcanpredicatethemicrostructureformationandtheas-castmechanicalpropertiesofthecastiron.Itisconcludedthatthesatisfactorilysimulatedagreementwithexperimentresultsisobtained.TheCAXtechnologyisabletoguideproduction.thesatisfactorysimulatedagreementwithexperimentresultsisobtainedandthenucleationandgrowthofSGcastironaremainlydeterminedbycoolingrateduringeutectictransformationwhilethecontentsofferriteandpearlitearegovernedbyboththesuper-coolingofeutectiodperiodandnodularcountsofeutecticsolidification.KEYWORDS:spheroidalgraphitecastiron,numericalmodelingandsimulation，microstructure,finiteelementmethod(FEM)，temperaturefield原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：球墨铸铁凝固过程微观组织及缩孔缩松形成的数值模拟研究1第一章绪论§1-1前言铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械制造工业的重要基础，在国民经济中占有重要的地位。在许多机械中，铸件占整机重量的比例较高，例如在内燃机中占80%，拖拉机中占65%，液压和泵类机械中占50%~60%，铸件的质量直接影响着整机的质量和性能。铸造生产具有成本低、一次成型等优点，但是由于铸造缺陷的存在，铸件的使用性能受到一定的影响。随着工业生产的不断发展，对铸件质量的要求也不断提高，这就促使人们对铸件凝固过程要进行深入的研究。人们逐步认识到影响铸件质量的外部因素和内部凝固过程之间的联系，可以利用工艺因素的变化深入研究凝固机理，根据凝固机理的研究又可进一步指导工艺过程的设计。因此控制凝固过程，提高铸件质量，获得要求的组织与性能，已经成为铸造研究的重要内容。要想得到具有一定质量和性能的铸件组织，必须研究铸件凝固组织的形成机理与控制方法。用实验的方法研究凝固组织形成过程具有直观性和操作性，因而成为凝固研究的主要方法。针对实验研究中存在耗费人力、占用设备和周期长的缺点，长期以来，人们设计了用模拟方法来研究凝固过程，例如利用水力学模拟金属流动等。自20世纪60年代以来，计算机技术的不断发展和完善以及凝固理论和凝固技术的发展，又使得用计算机模拟凝固过程成为可能。计算机模拟凝固过程就是利用数值分析技术、数据库技术、可视化技术并结合经典传热、流动及凝固理论对铸件形成过程进行仿真，以模拟出铸件充型、凝固及冷却中的各种物理场，并据此对铸件进行工艺优化与质量预报。计算机模拟的方法弥补了实验方法的不足，它是一种特殊的计算机实验。计算机模拟首先通过编制程序体现出系统的模型一些能产生出与真实系统相同形状数据的规则与指令的集合，然后将模型转换成一种可在计算机上操作的方式，以便对模型进行各种实验。昀后，将模拟实验得到的结果数据参照真实系统的数据，进行比较，以便能够确认模型的有效性。铸造凝固过程数值模拟被公认为是当今国际上的先进铸造技术领域中的前沿课题之一。§1-2铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是学科发展的沿领域，是改造传统铸造产业的必由之路。经历了二十多年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发已进入工程实用化阶段，铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸造充型凝固过程的数值模拟，可帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，为浇注前采取对策以确保铸件的质量，缩短试制周，降低生产成本，获得优质铸件提供可靠帮助。1-2-1国内外研究与开发简况[1~4]铸件充型及凝固过程模拟涉及计算机辅助绘图，计算机辅助工艺及工装设计（以浇冒口设计为主要内容）及凝固过程模拟分析（简称为CAE）三方面主要内容。国外商品化软件的研究与开发主要集中在凝固过程模拟分析软件部分，不仅仅是因为这部分高技术含量密集，而且也因为这部分内容通用性强，可应用在不同合金、不同形状、不同工艺的铸件，因而有利于软件的通用化及商品化。因此，要建立全面的铸造CAD/CAE系统，在选用商品化铸造CAE的同时，往往还需要进行二次开发。河北工业大学博士学位论文铸造CAE研究与开发起步于60年代，据统计国外已投入的研究与开发费用约3000余万美金。经过20多年的努力，由于在以下三方面取得了重要突破，商品化软件才变为可能与现实。即（1）具有能处理三维复杂形体的图形功能；（2）硬件及软件费用大幅度下降到铸造工厂能够接受的水平；（3）计算机操作系统及软件对用户友好（userfriendly），一般铸造工程技术人员稍加培训就可独立操作运行。1989年，世界上第一个