《铝硅合金共晶组织片层间距预测方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铝硅合金共晶组织片层间距预测方法.pdf(14页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN102156184A43申请公布日20110817CN102156184ACN102156184A21申请号201010566116322申请日20101130G01N33/20200601B22D27/0420060171申请人沈阳工业大学地址110870辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号72发明人李强曲迎东李荣德张超逸74专利代理机构沈阳智龙专利事务所普通合伙21115代理人宋铁军54发明名称铝硅合金共晶组织片层间距预测方法57摘要本发明涉及一种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,其特征在于采用数值模拟方法预测铝硅合金共晶片层间距,可以大大缩短实验周期,而且成本低,。
2、预测结果不受实验条件限制,并且可以考察某一单一因素对铝硅合金共晶组织片层间距的影响。克服了现有实验方法测定铝硅共晶组织的片层间距成本较高、实验周期长、而且实验结果受实验条件影响显著的缺陷,计算快捷,误差较小,可以实现对共晶片层间距的定量化预测。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书8页附图2页CN102156187A1/3页21一种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,其特征在于根据实际测量的冷却速度和局部的温度梯度预测出该冷却速度和温度梯度下铝硅合金凝固后的共晶组织片层间距,步骤如下(1)、建立硅共晶组织片层间距预测模型首先坐标原点取相的中心,由此确定。
3、Y与Z的坐标;Y轴位于固液界面上,并且与片层垂直;将问题简化成二维状态;由于扩散的对称性,其解在区域内;固液界面以速度在Z方向上稳定生长,此时的扩散方程为(1)式(1)中,为硅溶质浓度,为液相内溶质的扩散系数;(2)、计算溶质扩散系数(2)式(2)中D0平衡状态溶质扩散系数;Q原子扩散激活能;RG空气常数;T温度;由于D0、Q和RG均为常数,其中D08109;2856;将这两个数据代入公式(2)得到溶质扩散系数为;(3)、计算共晶组织片层间距根据共晶成分的周期性的变化条件可得3其中,为平衡共晶成分,为Z方向上的共晶生长速度,A、B都是常数,其值由式4、5计算得到45其中为共晶线长度;(4)、相。
4、和相的成分过冷度和为6权利要求书CN102156184ACN102156187A2/3页37其中,为相液相线的斜率,为相液相线的斜率;(5)、在共晶生长过程中,相和相的曲率过冷和为1011其中,为相固液相的接触角,为相固液相的接触角,为相GIBBSTHOMSON自由能系数为相GIBBSTHOMSON自由能系数;(6)、各相的过冷度为1213将,得到14共晶生长过程中过冷度为15其中1617根据方程(15)对求偏导,得出最小过冷度时的值(18)将式(16)和式(17)带入到方程(18)中可以得到权利要求书CN102156184ACN102156187A3/3页41920其中2122其中,;通过上。
5、述方程即可计算出铝硅共晶片层间距与过冷度和生长速度关系。2根据权利要求1所述的铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,其特征在于在凝固过程中,界面的生长速度对溶质分配系数产生影响,采用连续性模型计算相和相的溶质再分配系数,其表达式如下(8)(9)其中平衡状态相液相线斜率;平衡状态相液相线斜率;K0A非平衡状态溶质再分配系数;K0非平衡状态溶质再分配系数;DL非平衡溶质扩散系数。权利要求书CN102156184ACN102156187A1/8页5铝硅合金共晶组织片层间距预测方法0001一、技术领域本发明属于冶金技术领域,主要涉及一种共晶组织片层间距的预测方法,特别是针对铝硅合金共晶组织片层间距的预测方。
6、法。0002二、背景技术铝硅合金是应用最广的铝合金之一,它广泛应用于汽车、电力、航空等领域。铸造是铝硅合金成型的一个主要方法。但在铸造过程中,铝硅共晶组织是一种典型的凝固组织形貌。铝硅共晶组织的片层间距是直接关系到铸件产品力学性能的一个主要因素,以往针对铝硅合金的共晶片层间距多采用实验方法进行测定,但实验方法测定铝硅共晶组织的片层间距成本较高,实验周期长,而且实验结果受实验条件影响显著。0003三、发明内容1、发明目的本发明针对ALSI共晶组织片层间距定量化研究较少的现状,提出一种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,解决目前实验方法测定铝硅共晶组织片层间距所存在的问题,为今后铝硅合金共晶组织性能。
7、预测提供理论指导,并可以直接应用到铸造工艺改进,实现细化铝硅共晶组织的片层间距。00042、技术方案本发明是通过以下技术方案来实现的一种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,其特征在于根据实际测量的冷却速度和局部的温度梯度预测出该冷却速度和温度梯度下铝硅合金凝固后的共晶组织片层间距,步骤如下(1)、建立硅共晶组织片层间距预测模型首先坐标原点取相的中心,由此而确定Y与Z的坐标。Y轴位于固液界面上,并且与片层垂直。将问题简化成二维状态,由于扩散的对称性,其解在区域内。固液界面以的速度在Z方向上稳定生长,此时的扩散方程为1其中,为硅溶质浓度,为液相内溶质的扩散系数。0005由于在凝固过程中,温度对液相的。
8、溶质扩散系数会有一定的影响,因此要准确的预测共晶片层间距,必须将温度对溶质扩散系数的影响考虑进去。0006(2)、计算溶质扩散系数(2)式中D0平衡状态溶质扩散系数;Q原子扩散激活能;说明书CN102156184ACN102156187A2/8页6RG空气常数;T温度。0007由于在这里D0、Q和RG均为常数,其中D08109;2856;将这两个数据代入公式(2)得到溶质扩散系数为。0008(3)、计算共晶组织片层间距根据共晶成分的周期性的变化条件可得3其中,为平衡共晶成分,为Z方向上的共晶生长速度,A、B都是常数,其值由式4,5计算得到45其中为共晶线长度。0009(4)、相和相的成分过冷度。
9、和为67其中,为相液相线的斜率,为相液相线的斜率。在凝固过程中,界面的生长速度对溶质分配系数产生影响,在本方法中采用连续性模型计算相和相的溶质再分配系数其表达式如下(8)(9)其中平衡状态相液相线斜率;平衡状态相液相线斜率;说明书CN102156184ACN102156187A3/8页7K0A非平衡状态溶质再分配系数;K0非平衡状态溶质再分配系数;DL非平衡溶质扩散系数。0010(5)、在共晶生长过程中,相和相的曲率过冷和为1011其中,为相固液相的接触角,为相固液相的接触角,为相GIBBSTHOMSON自由能系数为相GIBBSTHOMSON自由能系数。0011(6)、各相的过冷度为1213将。
10、,得到14共晶生长过程中过冷度可以写成15其中1617根据方程(15)对求偏导,求出最小过冷度时的值(18)将(16)和(17)带入到方程(18)中可以得到19说明书CN102156184ACN102156187A4/8页820其中2122其中,。0012通过上述方程即可得出图1和图2中所示的铝硅共晶片层间距与过冷度和生长速度关系。00133、优点及效果本发明提出的一种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,该方法具有如下优点采用数值模拟方法预测铝硅合金共晶片层间距可以大大缩短实验周期,而且成本低,预测结果不受实验条件限制,并且可以考察某一单一工艺因素对铝硅合金共晶组织片层间距的影响。计算快捷,误差。
11、较小,通过实验观察与计算结果对比发现该方法的相对误差小于5,可以实现对共晶片层间距的定量化预测。0014四、附图说明图1为ALSI共晶片层间距与过冷度和生长速度关系示意图;图2为ALSI共晶理论关系示意图。0015五、具体实施方式共晶组织是一种最为常见的凝固组织形貌,其中共晶组织形貌和共晶组织的片层间距是影响最终共晶铸件性能的主要因素。铝硅合金是最常用的铸造合金,它具有良好的铸造性能,因此被广泛应用在汽车、电力、机械等领域。根据经典的HALLPITCH公式,晶粒的尺寸和力学性能的关系可知,晶粒越细小,其力学性能越高。但在凝固的共晶组织中,共晶片层间距越细小,共晶组织的力学性能越好。因此细化共晶。
12、片层间距是研究和控制共晶组织形貌的一个主要内容。0016下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明一种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,其特征在于根据实际测量的冷却速度和局部的温度梯度预测出该冷却速度和温度梯度下铝硅合金凝固后的共晶组织片层间距,步骤如下(1)、建立硅共晶组织片层间距预测模型首先坐标原点取相的中心,由此而确定Y与Z的坐标。Y轴位于固液界面上,并且与片层垂直。将问题简化成二维状态,由于扩散的对称性,其解在区域内。固液界面以的速度在Z方向上稳定生长,此时的扩散方程为说明书CN102156184ACN102156187A5/8页91其中,为硅溶质浓度,为液相内溶质的扩散系数。0017由。
13、于在凝固过程中,温度对液相的溶质扩散系数会有一定的影响,因此要准确的预测共晶片层间距,必须将温度对溶质扩散系数的影响考虑进去。0018(2)、计算溶质扩散系数(2)式中D0平衡状态溶质扩散系数;Q原子扩散激活能;RG空气常数;T温度。0019由于在这里D0、Q和RG均为常数,其中D08109;2856;将这两个数据代入公式(2)得到溶质扩散系数为。0020(3)、计算共晶组织片层间距根据共晶成分的周期性的变化条件可得3其中,为平衡共晶成分,为Z方向上的共晶生长速度,A、B都是常数,其值由式4,5计算得到45其中为共晶线长度。0021(4)、相和相的成分过冷度和为67其中,为相液相线的斜率,为相。
14、液相线的斜率。在凝固过程中,界面的生长速度对溶质分配系数产生影响,在本方法中采用连续性模型计算相和相的溶质再分配系数其表达式如下说明书CN102156184ACN102156187A6/8页10(8)(9)其中平衡状态相液相线斜率;平衡状态相液相线斜率;K0A非平衡状态溶质再分配系数;K0非平衡状态溶质再分配系数;DL非平衡溶质扩散系数。0022(5)、在共晶生长过程中,相和相的曲率过冷和为1011其中,为相固液相的接触角,为相固液相的接触角,为相GIBBSTHOMSON自由能系数为相GIBBSTHOMSON自由能系数。0023(6)、各相的过冷度为1213将,得到14共晶生长过程中过冷度可以。
15、写成15其中说明书CN102156184ACN102156187A7/8页111617根据方程(15)对求偏导,求出最小过冷度时的值(18)将(16)和(17)带入到方程(18)中可以得到1920其中2122其中,。0024通过上述方程计算出图1和图2中所示的铝硅共晶片层间距与过冷度和生长速度关系。0025实施例上述方法所用材料参数如下AL126MASSSI,液相线为577,共晶成分为126,75,175,K0A013,K02104,89103,合金的浇注温度为700,铸模温度为300。0026对按照上述步骤进行实验得到的金相组织照片上相尺寸和共晶片层间距进行测量。0027采用的是的测量方式,。
16、是在片层的垂直方向上划线测量,反复测量10次取平均值。0028表1模拟结果与实验结果比较说明书CN102156184ACN102156187A8/8页12由表1可以看出模拟计算的片层间距为139,实际测定的铝硅共晶组织的片层间距为146,误差为07,相对误差仅为5,说明模型计算可靠。0029可以根据实际测量的冷却速度和局部的温度梯度预测出该冷却速度和温度梯度下铝硅合金凝固后的共晶组织片层间距;而且预测铝硅共晶组织片层间距模型中添加了温度和冷却速度对材料热物性参数的影响,主要是温度和冷却速度对硅在铝液中的扩散系数、铝硅相图的液相线斜率的影响,从而保证了模型能够实现在较宽的温度范围和较大的冷却速度区间内实现预测的准确性。0030本发明方法同样适用于其他合金的共晶凝固组织的片层间距预测,可以通过实际监测得到的温度梯度和冷却速度,预测共晶的片层间距。0031本发明提供的这种铝硅合金共晶组织片层间距预测方法,采用数值模拟方法预测铝硅合金共晶片层间距可以大大缩短实验周期,而且成本低,预测结果不受实验条件限制,并且可以考察某一单一因素对铝硅合金共晶组织片层间距的影响。计算快捷,误差较小,适于工业应用。说明书CN102156184ACN102156187A1/2页13图1说明书附图CN102156184ACN102156187A2/2页14图2说明书附图CN102156184A。