D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1997.03.008 第19卷第3期 北京科技大学学报 Vol.19 No.3 1997年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1997 球墨铸铁微观组织形成的数值模拟 李文珍) 柳百成) 金山同) 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)清华大学，北京100084 摘要基于结晶动力学理论，建立了球墨铸铁凝固过程各阶段微观组织形成形核和长大的数学 模型；根据该结晶动力学模型，编制了球铁微观组织形成模拟软件FTStructure心.该软件可以预测球 铁凝固过程中各相的形成以及固态转变中铁素体和珠光体的形成，并进而预测铸态力学性能，模 拟了阶梯形试块的冷却曲线、微观组织和布氏硬度，模拟与实测结果符合较好， 关键词数值模拟，微观组织，球墨铸铁 中图分类号TG255,TG244.3 球墨铸铁作为一种重要的工程材料，其显微组织的形成和铸态力学性能与工艺因素的关 系非常密切，对于大型球铁件尤其如此.如果能在设计阶段就对球铁显微组织和力学性能进 行预测，并据此优化工艺，这对于提高生产效率，降低成本，改善铸件质量具有重要意义，本文 根据过冷形核理论和扩散控制生长理论，建立了球铁微观组织形成的数学模型.在此基础上， 编制了模拟球铁微观组织形成的软件FTStructure. 1数学模型 1.1形核模型 在球铁微观模拟中，石墨球形核一般采用Oldfield的过冷形核模型1~4.在本文中，也采 用过冷形核模型，取球铁在理论结晶温度时的冷却速度来计算形核率，球铁的理论结晶温度 由Heine的研究结果给出： Te=1427.6+6.5×ws’Td=996+22.7×w (1) 式中：Tc为球铁理论共晶温度(K),Te为球铁理论共析温度(K),ws为球铁含硅量(%). 假定所有形核核心都是在给定的临界过冷度（形核温度）下同时形成.根据Stefanescu 等的实验结果，本文采用如下的形核模型： 共晶结晶 NE KIE+K2EVE (2) 珠光体析出 N,=Kp+Kp哈 (3) 式中：N为形核率(I/m),V和V,分别为T和T,时的冷却速度(K/s,下角E,P分别表示共 晶和球化体，K为形核常数，K为动力学常数. 1.2生长模型 假设球铁凝固过程中，各相的生长是扩散控制，根据Fck定律可以导出球铁凝固过程中 1996-09-24收稿 第一作者男33岁博士后 *国家自然科学基金资助项目第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 一 球墨铸铁微观组织形成 的数值模拟 ’ 李文珍 ‘ 柳 百 成 金 山 同 ‘ 北京科技 大学 冶金 学 院 ， 北京 清 华大学 ， 北京 一 摘要 基 于 结 晶 动力学 理 论 ， 建 立 了球 墨 铸铁凝 固过程 各 阶段微 观组 织 形 成 形 核 和 长 大 的数学 模型 根据该结晶动力学模型 ， 编制 了球铁微观组织形成模拟软件 刀 该软件可 以 预测球 铁凝 固过程 中各相 的形成 以 及 固态转变 中铁素体和 珠光体的形 成 ， 并进而 预 测 铸态力学性能 模 拟 了 阶梯 形 试块 的冷却 曲线 、 微观组织 和 布 氏硬 度 模拟 与实测结果符合较好 关键词 数值模拟 ， 微观组织 ， 球墨 铸铁 中图分类号 ， 球墨铸铁作 为一 种 重要 的工 程材 料 ， 其显微 组织 的形成 和 铸态力学性 能 与工 艺 因素的关 系 非 常密切 ， 对于 大 型 球铁件尤 其如此 如果 能在设计 阶段 就 对球铁显微 组 织 和 力学性 能进 行 预 测 ， 并 据此优 化 工 艺 ， 这 对于提 高生产效率 ， 降低成本 ， 改 善铸件 质 量 具有 重要 意义 本 文 根 据过冷形 核 理 论 和 扩 散控 制 生 长理 论 ， 建 立 了球铁微观 组织 形成 的数学模 型 在此基 础 上 ， 编 制 了模拟球铁微观 组 织 形 成 的软件 盯 数学模型 形核模型 在 球铁微观模拟 中 ， 石 墨 球形 核 一 般 采用 的过 冷形 核模 型 【 ’ 一 在 本 文 中 ， 也采 用 过 冷 形 核模 型 取 球铁 在 理 论 结 晶 温 度 时 的冷却速 度来计算形 核 率 球铁 的理 论 结 晶温 度 由 的研究 结果 给 出 天 。 · ‘、 ，， 天 · ” ， 式 中 为球 铁理 论 共 晶温度 ， 为球铁理 论共 析温 度 ， ，为球铁含硅 量 假 定 所 有 形 核 核 心 都 是 在 给 定 的 临 界 过 冷 度 形 核 温 度 下 同 时 形 成 根 据 等 的实验结 果 ， 本 文采 用 如下 的形 核模 型 共 晶结 晶 戈 凡 凡 喂 珠光体析 出 阵 一 凡 长 嵘 式 中 为形核 率 ， 长 和 称分别 为 几 和 界时的冷却速度 ， 下 角 ， 分别表示 共 晶和球化体 ， 凡为形 核 常数 ， 悦为 动力学 常数 · 生长模型 假 设球铁凝 固过 程 中 ， 各相 的生 长是 扩 散控 制 ， 根 据 定 律可 以 导 出球铁凝 固过 程 中 一 一 收稿 第一作者 男 岁 博 士 后 国家 自然 科学 基 金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．03．008