钢在凝固过程液-固两相时高温蠕变行为的解析

At present, the research on high temperature creep behavior of metal is primarily focused on material service stage, while the creep behavior of metal at solid-liquid two-phase coexistence state during solidification process is rarely seen. Metal material in solid-liquid two-phase state cannot be stable for service，but solidification is an inevitable stage in the manufacturing process. The creep behavior in solid-liquid two-phase state is unique for its higher temperature, faster deformation rate and static pressure effect of liquid metal. Based on the high temperature property database and high temperature creep database of steel, this study will focus on the steel creep behavior during solidification process, and use the instrument developed by the ISIS to test creep behavior during the solidification process. The character of creep behavior and deformation mechanism would be analyzed, and the numerical simulation system would be developed for describing the metal creep behavior in solid-liquid two-phase state during solidification process.

目前，金属高温蠕变的研究主要聚焦于材料的服役阶段，金属凝固过程在液、固两相共存时的高温蠕变却很少被关注。虽然金属在液、固两相状态下无法稳定服役，但金属在制造成型时正常都会经历这个凝固阶段，此阶段的高温蠕变温度更高，变形速度更快，并且受到液相金属的静压力影响，具有独特的蠕变行为。本研究将在建立六种典型钢的高温物性数据库、高温蠕变数据库的基础上，针对钢在凝固过程的高温蠕变行为开展研究，利用基金委重大仪器专项基金开发的设备进行凝固过程的高温蠕变测试，探寻其蠕变行为的特征及影响要素，开发能描述金属凝固过程高温蠕变行为的数值仿真系统，定量解析其蠕变的热-力行为。

蠕变是金属材料在高温、载荷的作用下缓慢产生塑性变形的现象，是材料在应力作用条件下出现热激活微观过程的宏观表现。本基金针对钢铁材料在高温阶段的蠕变开展研究，尤其针对钢铁材料在凝固过程液、固两相共存时的高温蠕变行为开展研究理论及实验研究，开发钢铁材料高温蠕变行为的数值仿真方法。本基金在典型钢种的高温物性数据库以及高温蠕变数据库的基础上，建立钢铁材料的高温物性参数数据库；依托利用基金委重大仪器专项基金开发的枝晶凝固生长仪对钢液凝固过程进行了高温蠕变测试，解析了钢液的蠕变热-力行为特征及规律，定量探寻了蠕变行为特征及影响要素；建立描述材料高温变形的本构方程，并利用数值解析的方法进行求解；开发金属凝固过程高温蠕变行为的数值仿真系统，对生产连铸坯的高温蠕变行为进行解析。本研究针对SPHC、Q235、Q345等十多个典型钢种为对象开展实验测试，获得十余个钢种的高温物性与高温蠕变参数数据，分析了元素成分、组织结构、温度、应力等内部及外界因素对金属高温蠕变行为的影响，建立了涵盖特殊钢凝固过程高温蠕变的专用数据库。基于黏弹塑性本构方程，借助非线性有限元分析软件Marc建立了双相不锈钢在凝固过程高温蠕变行为的数值仿真系统，解析了金属在凝固过程液-固两相状态下的热-力行为。分析了非恒温、非恒压时钢凝固蠕变变量和蠕变特征及影响要素，建立了钢液在液、固共存时的高温蠕变热力本构方程，其相关研究成果发表论文33篇论文，其中，第一标注7篇、第二标注21篇、第三标注5篇，并申报发明专利3项，软件著作权2项；培养博士后2人，博士研究生5人，硕士研究生13人，有效完成项目的预期任务。