为了直观呈现钢凝固过程MnS形貌演变,揭示MnS在枝晶间析出机理,本文将两个不同网格尺寸的元胞自动机(CA)模块耦合成一个多尺度模型,以模拟Fe-C-Mn-S合金凝固过程枝晶间MnS析出。其中大网格CA模块基于溶质守恒计算基体枝晶生长,同时考虑曲率过冷,热过冷和成分过冷;小网格CA模块主要在MnS析出区域的局部细化分网格上基于瞬态热力学平衡同步计算MnS析出。多尺度模型不仅解决了 MnS与枝晶尺寸不统一问题,还有效地节省计算内存;同时,本文运用前人的实验结果对该模型进行了验证。为了描述流动钢液下枝晶生长,本文在CA法基础上耦合高效流场计算模型格子Boltzmann法,模拟了强制对流下Fe-C-Mn-S合金凝固过程微观枝晶生长和液相溶质分布。本文得到的初步结论如下:(1)基于枝晶生长模型,描述了Fe-0.6%C-1.0%Mn-0.3%S合金等轴晶生长行为。结果表明:枝晶周围液相溶质浓度从枝晶前沿向液相逐渐下降,C元素的扩散影响区比Mn和S的扩散影响区大;模型计算的枝晶尖端速度与LGK解析模型预测值吻合。(2)运用建立的多尺度模型,描述了Fe-0.6%C-1.0%Mn-0.3%S合金凝固过程MnS形核和长大过程。结果表明:MnS在合金基体中的最终形貌与其形核位置密切相关;MnS析出后,液相Mn溶质浓度明显下降。(3)运用建立的多尺度模型描述初始锰硫浓度积相等的合金Fe-0.6%C-0.2%Mn-0.02%S(Alloy 1)和 Fe-0.6%C-0.8%Mn-0.005%S(Alloy2)中 MnS 析出。结果表明:Alloy 1中MnS在固相率低时析出,MnS体积分数更小;Alloy 2中出现了 MnS再次析出。(4)运用建立的多尺度模型,描述不同冷却速度下Fe-0.6%C-0.8%Mn-0.005%S合金MnS析出。结果表明:冷却速度越高,枝晶间液相Mn偏析减轻,柱状晶粗化明显,MnS在较高固相率时析出,基体中MnS体积分数下降,同时MnS形貌主要呈点状,沿冷却方向带状分布,分布带的带宽随冷速增加而变窄。(5)通过对流场中Fe-0.6%C-0.6%Mn-0.005%S等轴晶生长演变模拟。结果表明:枝晶迎流枝晶臂较垂直枝晶臂和背流枝晶臂发达,溶质在枝晶背流侧富集严重,迎流侧富集较轻;随流体流速增加,迎流枝晶臂长度先增加后不变,迎流枝晶臂粗化加剧,颈缩现象减轻,垂直枝晶臂变得更长。