球墨铸铁凝固过程中碳的扩散行为及组织演变的实验研究和数值模拟

Diffusion is an important method of mass transfer, the key kinetic parameters which affect the crystal nucleation and growth process. To research the diffusion behavior and microstructural evolution in the carbon in the solidification process of spheroidal graphite cast iron and establish related macro and microscopic mathematical model can rich solidification theory and improve control ability of the microstructure defects. Using High temperature viscosity measuring instrument, scanning electron microscope, metallographic quantitative analysis software and cooling curve analysis technology to research carbon diffusion behavior during ductile cast iron solidification process and the establishment of carbon diffusion coefficient calculation model, reveal the solidification process of ductile iron carbon macro - and microscopic diffusion mechanism. The microstructure evolution during the solidification process of nodular cast iron will be studied by cellular automaton method, and the influence of the cooling rate, chemical composition and alloying elements on the graphite morphology during the solidification of nodular graphite cast iron will be made out. This project aims to improve the ductile iron solidification theory, provide a theoretical basis for effective control and defects of nodular cast iron microstructure prediction.

扩散是一种重要的传质方式，同时也是影响晶体形核和长大过程的关键动力学参数。探究球墨铸铁凝固过程中碳的扩散行为及组织演变并建立相关的宏-微观数学模型可丰富球墨铸铁的凝固理论，为其微观组织缺陷的控制提供理论基础和解决手段。利用,高温金属粘度仪、扫描电子显微镜、金相定量分析软件以及冷却曲线分析技术研究球墨铸铁凝固过程中碳的扩散行为并建立碳扩散系数的计算模型，完善并揭示球墨铸铁凝固过程中碳的宏-微观扩散机制。采用元胞自动机法对球墨铸铁凝固过程中的组织演变，探究冷却速度，化学成分以及合金元素对球墨铸铁凝固过程中石墨形貌的影响规律。本项目旨在完善球墨铸铁的凝固理论，为球墨铸铁微观组织的有效控制和缺陷预测提供理论依据。

球墨铸铁作为一种廉价的结构材料，因其良好的耐磨性、减震性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性和铸造性能，已经广泛应用于机械制造、石油、化工、冶金、军工等多个领域。球墨铸铁良好的性能取决于其特殊的微观组织-球状石墨，但是由于球墨铸铁成份的复杂性和石墨材料物理性质的特殊性，对球状石墨形成和畸变过程和组织演变的研究很少。扩散作为一种重要的传质方式，同时也是影响晶体形核和长大过程的关键动力学参数。本项目采用实验研究和数值模拟两种手段，深入探究了球墨铸铁凝固过程中碳的扩散行为的影响因素以及扩散对组织演变的影响规律。主要获得了以下几个重要的研究结果1.球墨铸铁凝固过程中，碳元素并不是以原子状态扩散到石墨表面而是先形成片层石墨然后向石墨球表面进行堆叠。石墨球周围的碳浓度均匀，扩散到石墨球表面的石墨片层继续依附于石墨球表面暴露的(0001)面生长，使石墨可以继续保持球状结构。2. 以Fe-C-Si系三元合金为研究对象，建立了球墨铸铁微观组织演变的数学物理模型，采用元胞自动机方法开发了球墨铸铁凝固过程微观组织演变程序。利用浓度约化并引入形状参数，解决了球墨铸铁各向同性生长的问题并实现了包含液相-奥氏体-石墨三相的球墨铸铁凝固组织演变的数值模拟。通过实验结果和模拟结果的比较，确定了本项目数学物理模型的准确性。3.探究了微量元素（锡、锑、铋）对碳扩散行为的影响规律。结果表明虽然三种微量元素均对碳的扩散有抑制作用但是影响机制有所不同。其中锡元素吸附在石墨表面阻碍碳的扩散生长并在慢冷速下形成畸变石墨。本项目揭示了球墨铸铁凝固过程中球状石墨形成和畸变的机制，建立了球墨铸铁微观组织演变的数学物理模型，为球墨铸铁和其他含碳熔体的组织控制提供了理论基础。