【摘要】：改進了前期工作建立的多相元胞自動機(multi-phase cellular automaton,MCA)模型,模擬以離異共晶方式凝固的球墨鑄鐵的顯微組織演化.在模型中采用局部溶質(zhì)平衡法計算石墨和奧氏體的生長動力學(xué),并在石墨的生長模型中考慮石墨與Fe的密度比.該模型可以模擬出與實驗觀測相符合的顯微組織形貌.應(yīng)用該模型模擬分析了石墨與奧氏體的相互作用和競爭生長機制,討論了冷卻速率對凝固結(jié)束時石墨球大小和尺寸分布的影響,將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較.結(jié)果表明:奧氏體的析出促進鄰近石墨在液相中的生長;奧氏體和石墨兩相的生長受C擴散控制;當石墨被奧氏體包圍后,生長速度減慢.此外,隨著冷卻速率的增大,凝固時間縮短,石墨球平均半徑減小,不同冷速條件下石墨球尺寸分布的變化規(guī)律與實驗結(jié)果吻合較好.
【圖文】：

esurfaceenergyanisotropydtDegreeofthekineticanisotropydkDensityofgraphiterGrDensityofironrFeValue0.49470284.8-901153.7+4.865×%Si4.281.9×10-73.7×10-78801.82×1093.60×1091.5×10-10(T>(Teut-200)℃)1.5×10-10exp(-142100/8.314T)(T≤(Teut-200)℃)5.0×10-90.60.621007930UnitK·%-1K·%-1K·%-1℃%m·Km·KJ·kg-1·K-1J·m-3J·m-3m2·s-1m2·s-1kg·m-3kg·m-3圖1不同溫度下初始成分C0=4.71%時過共晶球墨鑄鐵的形貌演變Fig.1Simulatedandexperimentalmorphologiesforahypereutecticspheroidalgraphite(SG)castironwithaninitialcon-centrationC0=4.71%atT=1253℃withfs=1%(a),T=1163℃withfs=3%(b),T=1165℃withfs=6%(c),T=1156℃withfs=35%(d),T=1117℃withfs=91%(e),T=1123℃withfs=97%(f),T=740℃withfs=100%(g)andexperimentresultofFe-3.86%C-2.82%Si[22](h)(Numbersinthefiguresshowthelocalcarbonconcentration,andfsisthetotalsolidfraction)張蕾等:球墨鑄鐵凝固顯微組織的元胞自動機模擬153

第2期較低.隨著溫度降低至共晶溫度,奧氏體形核(圖3b).在奧氏體生長過程中先包圍與其較近的I號石墨,接著包圍II和III號石墨,形成奧氏體殼,并繼續(xù)生長.由于奧氏體生長過程中排出溶質(zhì)C,而石墨的生長吸收溶質(zhì)C,使得奧氏體周圍區(qū)域的C濃度高于石墨周圍的濃度(圖3b~g).凝固過程中石墨的生長速度和半徑隨時間的變化如圖4所示,其中生長速度通過石墨平均半徑的增長速度計算獲得.從圖4a中可以看出,凝固開始階段,3個石墨的生長速度都較快.隨著石墨在液相中生長吸收溶質(zhì)C,使得液相中的C濃度快速下降,石墨周圍形成濃度梯度.根據(jù)式(7),石墨界面C濃度的降低導(dǎo)致石墨生長速度減慢,隨后達到相對穩(wěn)定的生長速度(圖4a),這是因為此時石墨周圍濃度基本保持不變(圖3b~d).從凝固開始到11s之前,石墨I周圍的濃度略高于石墨II和III(圖3a~c),所以其生長速度略快于其他2個石墨.然后,奧氏體開始包圍石墨I(圖3d),奧氏體生長時排出的溶質(zhì)促進了石墨I的生長,使石墨I的生長速度明顯加快.當石墨I完全被奧氏體包裹之后,石墨I的生長速度迅速減慢至低于II號石墨的生長速度,并趨于一個相對穩(wěn)定值.這是因為石墨在奧氏體中生長時必須通過奧氏體殼吸收溶質(zhì),C在奧氏體中的擴散速度較慢,使得被奧氏體完全包裹后的石墨I的生長速度減慢.而此刻石墨II仍在液相中生長,所以其生長速度快于石墨I.隨著凝固的進行,奧氏體逐漸接近石墨II和III,這2個石墨在與奧氏體接觸和相互作用時的生長速度變化規(guī)律與石墨I的情況類似.當其被奧氏體接近和包圍時,生長速度明顯加快,被完全包圍之后,生長速度迅速減慢至一個相對穩(wěn)態(tài)圖3模擬的C0=4.65%過共晶球墨鑄鐵凝固過程中石墨與奧氏體相互作用與競爭生長Fig.3Interactiveandcompetitivegrowthbetweenaustenitedendriteandgraphitenodulesfor
【作者單位】： 東南大學(xué)江蘇省先進金屬材料高技術(shù)研究重點實驗室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金資助項目51371051~~
【分類號】：TG143.5

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【二級參考文獻】

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本文編號：2547034