铸铁凝固过程石墨三维形态演变数值模拟研究

Graphite is an important part of the microstructure of the cast iron, and the performance of the cast iron is affected by the morphology of the graphite. How to control the morphology of the graphite is a scientific problem and technical difficulty in the research of the cast iron. This project will intend to do simulation research on the 3D morphology of graphite during the solidification of cast iron. Firstly, the phase field model which is used for the simulation of the graphite is established with the thermal parameters system JMatPro and free energy density method. Secondly, based on the octree mesh technology, which can greatly improve the computation capability and the efficiency, the system for the simulation of the graphite growth is developed and tested by the pouring experiment results. The mechanism of graphite morphology in three dimension and different solidification conditions will be given with this system. The results from this project can provide the scientific guidance and technical support for the controlling the 3D morphology of the graphite, and have a significant theoretical value and scientific significance.

石墨是铸铁凝固组织的重要组成部分，其三维形态是影响铸铁性能的关键因素，如何定量化控制石墨形态则成为铸铁研究领域的关键科学问题及技术难点，本课题拟针对这个科学问题与难点进行铸铁凝固过程中石墨形态三维演化过程的数值模拟研究。首先基于体系自由能密度构造方法以及JMatPro热物性参数系统，建立起适用于铸铁凝固过程石墨形态三维演化的相场法数学模型；其次，采用八叉树网格技术提高模拟仿真的计算效率及计算能力，研究开发铸铁凝固石墨形态三维演化的模拟仿真系统；并通过浇注实验以及金相分析，完善与验证模拟仿真系统的准确性，揭示铸铁凝固过程中石墨在不同条件下其三维形态的演化规律。本课题的研究成果有望为定量化控制三维石墨形态提供科学指导以及技术支持，具有十分重要的理论价值及科学意义。

石墨是铸铁凝固组织的重要组成部分，其三维形态是影响铸铁性能的关键因素。本课题采用模拟与实验结合的方法对铸铁石墨三维形态形成机理进行研究。首先基于体系自由能密度构造方法，建立起适用于铸铁凝固过程石墨形态三维演化的相场模型，并进行了相关数值验证。其次针对相场法组织模拟计算量大的特点，对GPU并行加速做了相关研究，研究表明，GPU并行加速可以有效的提高计算速度。通过浇注测温实验，获取不同条件下灰铸铁和球墨铸铁凝固温度曲线，并对测温位置进行金相检测。同时对球墨铸铁中石墨形态进行了三维形态表征。对灰铸铁的研究表明：初生奥氏体析出温度、共晶凝固结束温度、再辉温度对浇注温度随着浇注温度的升高而增加；浇注温度的增加使得试件内的共晶团尺寸增加，奥氏体一次与二次枝晶臂间距降低。对球墨铸铁的研究表明：随着厚度的增加，球墨铸铁中奥氏体晶粒铸件增大，残留液相所占比例也越高；由于残留液相中石墨球的存在，石墨的空间分布存在分布不均匀性，且厚度越大空间分布则越不均匀；在凝固后期残留液相由于各种元素的偏析，通常形成珠光体，而在石墨球周围则形成铁素体组织。本课题的研究成果为研究三维石墨形态提供科学指导以及技术支持，具有重要的理论价值及科学意义。