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定義:晶粒本體或枝晶之間存在的化學成分不均勻性。由合金在凝固過程中的溶質再分配導致某些溶質元素或低熔點物質富集晶界所造成。

實例如下:控制和利用鋼凝固過程中的顯微偏析和宏觀偏析
摘要:對顯微偏析的數值分析可以用來評估固液共存溫度範圍、連鑄板坯產生內部裂紋的臨界應力以及在焊接過程中影響焊接裂紋的殘餘δ相分數。對於抗氫致裂紋管線鋼來說,阻止MnS以點狀偏析的形式析出是必要的。本文開發了一個用於分析包括硫化物在內的非金屬夾雜物成分變化的數學模型,並指出了在連鑄板坯中阻止MnS析出的臨界點狀偏析尺寸。為了模擬點狀偏析的尺寸,必須對凝固結構、形態進行模擬。作者等人開發了一個應用雙網格系統的方法:一個是採用有限差分分析熱和溶質擴散;另一個則是蒙特卡洛模擬固相形核和長大。採用微米級及數百微米級尺寸網格作為蒙特卡洛模擬網格,分別模擬了顯微和宏觀凝固組織結構。共存相阻止了晶粒增長。通過利用磷的顯微偏析可以使δ相在從凝固到室溫的整個溫度範圍內保持穩定,這就縮減了奧氏體晶粒尺寸,同時也改變了鐵素體晶粒尺寸。由於顯微偏析在枝晶間殘餘液相中析出的第三相析出物(如TiB2)將釘扎奧氏體晶界,從而是晶粒尺寸縮減。關鍵詞:凝固偏析,硫化物形態控制,裂紋,數學模型,蒙特卡洛模擬,晶粒細化

1前言:由於凝固偏析影響各種各樣鋼的性能,因此對其的控制和使用將顯得尤為重要。這裡談及的是開發了一個為達到這一目的的數學模型,該模型中將涉及到由於溶質偏析引起的非金屬夾雜物成分的變化和應用該模型來評估凝固和焊接裂紋的傾向以及對抗氫致裂紋管線鋼中硫化物形態的控制。為了能夠模擬形態,如點狀偏析尺寸,先後採用了蒙特卡洛模擬和有限差分法來模擬凝固結構。最後,提及了利用顯微偏析穩定第二相或者誘導第三相在枝晶間的析出,而這些析出物將控制一次相的生長,達到晶粒細化的目的。

2顯微偏析的數值分析及應用。本文中開發了關於顯微偏析的數值分析方法,其中結合了溶質擴散計算、有限差分方法以及固液界面的熱動態平衡計算。假設枝晶的橫截面形狀如圖1所示(六邊形)。沿枝晶的半徑方向將其分成六份,分析時取其中的六分之一部分。採用有限元方法分析了溶質元素在各臨近微元體中的擴散,通過每一微元體溶質含量在每一時間步長的更新來更新熱動態平衡。例如,計算了錳元素的偏析,如圖2所示。這一分析方法可以用來評估固液共存溫度範圍以及連鑄板坯產生內部裂紋的臨界應力。考慮隨後的凝固轉變利用上述同樣的分析可以評估在焊接中影響焊接裂紋的殘餘δ相分數。圖3對比給出了各種鐵-鉻-鎳合金中焊接池內殘餘δ相分數的計算和觀察值。

3由於凝固顯微偏析引起的非金屬夾雜物成分的改變:對於抗氫致裂紋管線鋼,阻止MnS在點狀偏析中的析出是必要的。為了這一目的,要求合適的鈣加入量來控制硫化物形態以及縮減點狀偏析尺寸。本文中開發了一個用於分析鋼凝固過程中包括硫化物在內的非金屬夾雜物化學成分變化的數學模型。在這一模型中顯微偏析的計算是根據CK方程考慮了溶質元素在固相中的反擴散並且假定殘餘液相中的非金屬夾雜物於殘餘液相處於熱動態平衡。這一模型被稱為「耦合析出模型」。

3.1在抗HIC管線鋼中對點狀偏析的應用結果;表1中第一行列出了抗氫致裂紋管線鋼的平均化學成分,第二行中列出了點狀偏析的化學成分,等同於當固相率為0.90時枝晶間殘餘液相中溶質濃度,其值已通過對板坯的觀察得到證實。耦合析出模型被用於分析在點狀偏析凝固時非金屬夾雜物的成分變化。圖4(b)給出了當點狀偏析直徑為100微米時的計算結果。在凝固初期,氧幾乎完全被固定在CaO-Al2O3中,溶解氧不到1ppm。其餘的Ca以CaS的形式用於固定S,溶解Ca大約為0.01ppm,溶解Al大約為200ppm,溶解S大約為70ppm。隨著凝固的進行,偏析出的S分解了CaO-Al2O3中的CaO形成CaS,而溶解Al則捕捉從CaO中分解出了O形成Al2O3。結果,CaS和在CaO-Al2O3體系中Al2O3的濃度隨著固相率的增長不斷升高。在這種狀況下,在整個凝固過程中CaO並沒有完全分解,同時偏析出的S被以CaS的形式固定從而阻止了MnS的析出,這也就是說硫化物形態達到成功控制。當分析直徑為1000微米點狀偏析凝固時,夾雜物化學成分的變化行為與100微米的大體相當,如圖4(c)所示。然而,CaO在凝固結束時完全分解,這就導致了S的反擴散不那麼有效了,因為點狀偏析點直徑較大同時偏析出的S很快消耗掉了CaO。隨後將沒有Ca來進一步固定偏析出的S,結果MnS析出,在這種情況下,硫化物形態控制就是不成功的。通過這個模型計算出的阻止MnS析出的臨界點狀偏析尺寸與在連鑄板坯中觀察到的符合很好。既採用了解析方法又採用了離散方法完成了這些計算。為了抑制MnS的析出,需要控制點狀偏析的直徑以及合適的Ca加入量,而控制點狀偏析尺寸則可以通過減小板坯鼓肚以及在板坯厚度方向上採用輕壓下來補償凝固收縮和熱收縮。表1抗氫致裂紋管線鋼的平均化學成分和點狀偏析的化學成分

4評估點狀偏析的形態

通過分析由於板坯鼓肚和凝固收縮引起的枝晶間富含溶質的殘餘液相流動對宏觀偏析也進行了數值模擬。但是,為了模擬點狀偏析凝固結構,必須模擬形態。既可以採用相場方法也可以採用蒙特卡洛方法來模擬凝固結構。本文作者等人開發了一個採用雙網格系統的方法:一個是採用有限差分分析熱和溶質擴散;另一個則是蒙特卡洛模擬固相形核和長大。採用微米級及數百微米級尺寸網格作為蒙特卡洛模擬網格,分別模擬了顯微和宏觀凝固組織結構(如圖5a和b)。在蒙特卡洛模擬模擬中檢測了由液相到固相的晶粒取向。當由於晶粒取向使自有能變化為負時引起的,這個晶粒取向被接受。當自由能變化為正值時,將從0~1中隨機取一數值。如果選擇的數值小於能量變化的波爾茲曼因素,這個晶粒取向被接受。也就是說,晶粒取向被接受的可能性等於能量變化的波爾茲曼因素。

5利用顯微偏析細化晶粒:相共存阻止了晶粒生長。Kuto等人首先證明了在定向凝固過程中,γ相不會生長到液相或者是δ相而共存,γ相只有當這些相消失才開始生長。Yoshida等人證明了利用P的顯微偏析可以是從凝固到室溫的整個溫度範圍內使δ相保持穩定,這也就縮減了奧氏體晶粒尺寸,同樣也會改變鐵素體晶粒尺寸。Sasaki等人則證明了第三相析出物,如TiB2由於顯微偏析在枝晶間殘餘液相的析出將釘扎奧氏體晶界,從而晶粒尺寸縮減。從今往後像這些例子中利用顯微偏析應該得到重視。

6結論:為了控制和利用鋼凝固過程中的顯微和宏觀偏析,討論如下:

(1)本文中開發了關於顯微偏析的數值分析方法,其中結合了溶質擴散計算、有限差分方法以及固液界面的熱動態平衡計算。通過評估凝固範圍和殘餘δ相含量它們被用於評估凝固和焊接裂紋趨勢。

(2)考慮顯微偏析開發了分析鋼凝固過程中非金屬夾雜物化學成分的變化的數學分析模型,並應用其得到了阻止抗氫致裂紋管線鋼中MnS析出的點狀偏析尺寸上限。

(3)開發了採用蒙特卡洛模擬凝固組織的方法,其中結合了溶質和溫度場的有限元分析,通過採用合適的網格尺寸得到了顯微和宏觀凝固結構,並可用於模擬宏觀偏析形態。

(4)利用枝晶間的顯微偏析,通過其在低溫下穩定δ相或者第三相析出可以細化奧氏體晶粒。

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