[发明专利]一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法

说明书

本发明提供一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，涉及冶金连铸技术领域。基于二维柱状晶生长CA‑FVM模型，计算柱状晶组织生长形貌；提取特定固相率下柱状晶组织生长形貌数据，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型；基于柱状晶组织有限元模型，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，即柱状晶组织粘塑性模型；设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件；在有限元软件中计算柱状晶组织粘塑性变形，并进行可视化及数据后处理。该方法能够定性表征钢凝固过程柱状晶组织在拉伸作用下的变形演化情况以及过大应力、应变集中分布部位，同时对二次枝晶臂的粘塑性变形力学行为也能很好地定性表征。

技术领域

本发明涉及冶金连铸技术领域，尤其涉及一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法。

背景技术

连铸是钢铁冶金生产流程中材料转换的关键环节，也是节能降耗、提高钢材使用性能的关键阶段。在连铸生产实践中，裂纹作为主要缺陷严重影响铸坯的质量。内裂纹作为裂纹的一种类型，绝大数发生在凝固过程，其凝固前沿固体枝晶受力变形是产生初始缺陷的直接诱因。固体受力变形是连铸过程中常见的现象，当铸坯仍处于凝固状态时，变形可延伸至半固态糊状区。这种糊状区域通常是由被熔体包围的固体枝晶组成的，因此处于半固态的糊状区组织变形表现出粘塑性的特性。当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹，并向固相扩展，在随后的凝固前沿继续受到应力和应变作用，已形成的内裂纹随着凝固界面的推进进而连续“生长”。消除铸坯裂纹的过程就是寻找产生过大应力或应变的原因，因此研究揭示钢凝固过程柱状晶组织粘塑性变形对于了解糊状区组织的力学行为和从微观层面上了解内裂纹形成机理并最终防止铸坯的缺陷具有十分重要的意义。

然而，枝晶组织变形是一个复杂的过程，涉及到多种物理现象，例如凝固并形成枝晶之间的桥梁或晶界、带有接触的大非弹性固体变形、熔体流动等。中国专利“CN201410057155.9”公开了一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢及其制备方法，在定向凝固形成的柱状晶组织的基础上，通过塑性变形和再结晶退火，生长出一定数量的等轴晶。其中柱状晶有利于提高其轴向的塑性，而等轴晶则有利于提高材料的整体强度，从而使材料强度和塑性同时得到改善。中国专利“CN201110102915.X”公开了一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法，控制合金钢的组织为柱状晶，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能，实现合金钢在较高水平上调节力学性能。然而，对于连铸生产中钢凝固过程糊状区柱状晶组织塑性变形过程力学行为没有相关报道。“Reinhart(Jom,2014,66(8):1408-1414)”和“Suéry(Jom,2012,64(1):83-88)”通过同步辐射原位观察、X射线微层析成像等实验手段很难直接观察到柱状晶组织受力变形过大应力、应变集中分布情况，而且实验检测周期长、设备昂贵经济成本高、尚不能大规模应用于工业检测。由于数值模拟技术相比实验手段成本低、效率高、易于控制等优点，应用直接有限元模拟技术来模拟柱状晶组织受力变化是一种有效的手段。一些研究人员利用直接有限元法开发了模型来研究柱状晶组织的力学行为，但由于柱状晶形状复杂，“Domitner(IOPConference Series Materials Science and Engineering,2012,33(1))”简化了柱状晶组织，将柱状晶近似为圆锥形轴对称几何模型，忽略了二次枝晶臂变形行为的影响，简化的柱状晶模型不能很好地表征钢凝固过程柱状晶在外力作用下的变形情况，“Fuloria D(Acta Materialia,2009,57(18):5554-5562)”由于忽略了熔体的存在，仅模拟了柱状晶结构的单轴压缩情况，存在一定的局限性。因此为了表征钢凝固过程柱状晶组织的粘塑性变形行为，在模拟计算中需要一起考虑真实的柱状晶结构和液相，因此亟需找到一种可行的办法。

发明内容