[发明专利]一种可实现钢凝固枝晶生长和偏析的三维预测方法

说明书

一种可实现钢凝固枝晶生长和偏析的三维预测方法，所属冶金连铸技术领域，制备方法包括，收集待研究钢材的物性参数、各成分所占比重数据；计算三维相场及溶质场的控制方程：编写三维基于相场法计算的程序代码；将程序计算结果数据写入Tecplot可读文件，由Tecplot打开得到相场及溶质场的三维图像，不同计算时间的三维图像组合得到钢液中晶粒竞争生长过程。本发明方法将形核、长大、溶质扩散等机理引入数值模拟中，不仅能够真实地再现钢液凝固过程中晶粒竞争生长的微观形貌，而且能够准确预测晶粒竞争生长过程中的溶质再分配现象，提高钢液凝固过程中晶粒竞争生长预测的精准度。

技术领域

本发明属于冶金连铸技术领域，特别涉及一种可实现钢凝固枝晶生长和偏析的三维预测方法。

背景技术

钢材作为一种重要的材料，是人类赖以生存和发展的物质基础，其与社会的各个领域都有着及其密切的联系。而钢液在冷却作用下逐渐凝固成型，这个凝固过程是一个宏微观均极为复杂的过程，而在这个过程中存在晶粒的竞争生长现象。晶粒竞争生长是材料微观组织演化过程中普遍存在的现象，不同组织间(包括相、枝晶、晶粒等)均可能存在竞争生长，这些竞争作用对最终微观组织的形成具有重要影响，进而影响产品的最终服役性能。凝固过程的潜热释放和表面张力之间的竞争结果表现为复杂晶粒组织的形成，因此，晶粒之间的竞争机制的解释和模拟成为很多研究的中心。深入地了解晶粒的生长过程中组织演变的规律以及动力学参数的变化对于制定合理的工艺流程、适当的反应条件，预测钢液凝固过程中多个不同方向生长的晶粒的相互竞争生长的过程，分析了温度和溶质分布对晶粒组织形貌的影响机制，将在减轻偏析、提升铸坯内部质量中发挥重要作用，为提高工业生产效率提供参考依据。

当前研究钢液凝固过程中晶粒竞争生长主要有两种方式：凝固实验与数值模拟。通过实验研究分析，可以获得不同取向构型、生长条件(如温度梯度等)等对晶粒竞争生长的淘汰结果的影响，然而晶粒在凝固过程中的竞争生长是一个高温过程，采用常规的实验手段进行凝固过程的研究，不仅操作复杂，观察困难，需要控制大量的参数，且实验设备极易发生损坏，因此常规实验方法对凝固过程的研究有很大的局限性。但通过数值模拟，可以实时获得竞争生长过程的晶粒组织形貌演化过程，并确定其竞争生长机制，并且可以通过较小的工作量的基础对晶粒竞争生长过程进行预测。这样既大大节省了实验资源，还能够直观的得到溶质分布等的数据，非常方便。

现阶段的很多预测方法都是在二维情况下进行晶粒竞争生长的预测。这与真实情况相差较大，并不能完整地反映晶粒竞争生长的过程，因此为了更接近真实环境下的凝固过程中晶粒竞争生长的情况，需要开发三维模拟的方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种可实现钢凝固枝晶生长和偏析的三维预测方法，数值模拟选用的相场法，避免追踪复杂的固液界面，将凝固的宏微观过程有效的结合起来，可以模拟晶粒竞争生长以及定量研究各向异性、各种热物性参数等对晶粒竞争生长的影响等问题，本方法能够以三维图景的形式再现晶粒在钢液凝固过程中竞争生长过程，提高钢液凝固过程中晶粒竞争生长预测的精准度。其具体技术方案如下：

一种可实现钢凝固枝晶生长和偏析的三维预测方法，包括如下步骤：

步骤1：收集待研究钢材的物性参数、各成分所占比重数据；所述物性参数包括液相线斜率、熔点温度、摩尔体积；

步骤2：根据收集的物性参数数据及三维相场法模型，计算三维相场的控制方程、溶质场的控制方程：

步骤2.1：基于三维相场法模型，计算三维相场的控制方程；

步骤2.2：采用自由能密度的形式，计算与相场的控制方程相耦合的三维溶质场扩散方程，然后带入计算三维溶质场的控制方程；