【摘 要】
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铸锻一体化工艺是对心部尚未完全凝固的铸锭进行锻造的新技术,能够节省大量加热时间和费用,显著细化锻坯心部晶粒,已在工业上成功应用和推广。对固液两相区施加大变形会形成球状或蔷薇状组织,这和传统铸件中的枝晶组织存在显著差异。上世纪70年代已有学者利用该现象发明了金属的半固态成形技术。现在人们普遍认为,枝晶断裂在非枝晶组织的形成过程中起到了关键作用,但枝晶在半固态变形过程中的断裂机理至今尚无定论。本文提出
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铸锻一体化工艺是对心部尚未完全凝固的铸锭进行锻造的新技术,能够节省大量加热时间和费用,显著细化锻坯心部晶粒,已在工业上成功应用和推广。对固液两相区施加大变形会形成球状或蔷薇状组织,这和传统铸件中的枝晶组织存在显著差异。上世纪70年代已有学者利用该现象发明了金属的半固态成形技术。现在人们普遍认为,枝晶断裂在非枝晶组织的形成过程中起到了关键作用,但枝晶在半固态变形过程中的断裂机理至今尚无定论。本文提出了新型的相场模型以研究该问题,经进一步实验验证,证实了枝晶变形会导致晶界形成,表明半固态变形过程中枝晶断裂的核心机制是高能晶界的润湿。所完成的研究和结论如下:（1）建立了向量形式多晶相场模型,以描述各晶粒之间的晶界形成;使用两相流Navier-Stokes方程,实现了固相变形和熔体流动耦合计算;通过对流方程,计算固相位置变化;根据角速度计算固相旋转过程中取向变化。这些新颖的数值方法,可实现对半固态变形过程的模拟。（2）对提出的数值方法进行了严格测试,结果表明:向量形式相场方法能够正确描述晶界行为;采用两相流模型能够实现固相的接触和分离;更新固相位置和取向的方法具有足够的数值精度以给出可靠的结果。（3）通过让固相“流入”计算域,在欧拉网格上完成了枝晶压缩过程计算。该模拟首次实现了组织演变、固相变形、熔体流动三者之间的耦合,清晰展现了枝晶侧臂弯曲并在根部形成晶界,然后由于晶界的润湿而断裂脱落、最终演变为球状晶粒的全过程。值得强调的是,该过程至今难以通过原位实验清晰观察。（4）进行了半固态压缩-淬火实验。所得组织中存在大量小角晶界,与模拟中经历了理想塑性变形的枝晶类似,从而证实了半固态金属具备良好的塑性变形能力;试样的等轴晶组织中存在没有溶质富集的晶界,而模拟表明,变形枝晶内部能形成这样的晶界;此外,试样中的球形晶粒和模拟中因根部晶界润湿而断裂的枝晶侧臂非常相似。（5）模拟和实验研究均表明,晶界的形成和润湿是枝晶断裂的主导因素。由于高能晶界更易被润湿,本研究为半固态成形技术的组织控制提供了新思路:可通过调控合金成分提升晶界能,增加晶界润湿倾向,以达到更好的枝晶破碎效果。
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