Fe-Bi-Pb-Mn合金多相相變凝固的數(shù)值模擬及其潤滑滾動磨損機理研究.pdf

1、Fe-Bi/Pb-Mn系合金作為一種新型易切削不銹鋼，廣泛應(yīng)用于筆頭材料、精密儀表、汽車零件、機械重要部件等高精密加工領(lǐng)域，尤其是Fe-Bi-Mn合金是一種優(yōu)良的新型環(huán)保易切削材料。Bi/Pb改善不銹鋼性能的作用與其在鋼中存在形態(tài)及在加工過程中的變化有密切的關(guān)系，當(dāng)易切削相Bi/Pb和MnS等復(fù)合夾雜物彌散分布于基體中時，該合金表現(xiàn)出優(yōu)良的易切削性能。但由于該合金凝固時Bi/Pb相存在液→氣→液→固相變過程，而MnS相只發(fā)生液→固相變過

2、程，液相Bi/Pb易富集于鋼錠底部而氣相Bi/Pb易上浮揮發(fā)，使Bi/Pb的收得率很低且在基體中的分布情況比較復(fù)雜極易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，嚴重限制了該合金的應(yīng)用，為其凝固過程和性能的研究帶來極大困難。本文基于Eulerian-Eulerian方法和流體體積技術(shù)，建立了三維多相流體動力學(xué)凝固模型，并將其與質(zhì)量、動量、溶質(zhì)和熱焓守恒方程相耦合，對合金的凝固過程進行了數(shù)值模擬，取得如下創(chuàng)新性結(jié)果：
　　1、分析了分布面積二次梯度(▽(▽SPb

3、))和濃度二次梯度(▽(▽CPb))對偏析模式的影響，結(jié)果表明：液、氣兩相的流動相變使偏析模式表現(xiàn)為上端X型下端V型，X偏析由氣相相變驅(qū)動力和多取向相變作用下的“散射”形成；t>tc時，隨▽-(▽-SPb)和▽-(▽-CPb)曲線降低，X偏析的下偏析角增大，上偏析角和V偏析角減小，Pb收得率增大，有利于獲得含量穩(wěn)定彌散的凝固組織。此外,還研究了液、氣兩相交互流動下通道偏析的形成機理，結(jié)果表明：通道偏析僅存在于流動-相變交互作用(u-l·

4、▽cl和u-g·▽cg)為負值的區(qū)域，該區(qū)域的流動擾動抑制合金的局部凝固，促進偏析通道生長；流動-相變交互作用負值越小，偏析通道持續(xù)增長越穩(wěn)定。
　　2、易切削相的析出過程受多相相變-擴散作用影響，Mls,MnS的值較大，MnS的分配系數(shù)大而擴散系數(shù)小，當(dāng)*s,MnSc的值大于cl,MnS的值時，液相MnS在固-液界面處濃度降低，最終被固相完全“捕獲”，導(dǎo)致MnS不再富集；Mls,Bi的值較小且Mgl,Bi為負值，Bi的分配系數(shù)小

5、而擴散系數(shù)大，凝固過程中存在氣相Bi且cl,Bi的值始終大于*s,Bic的值，故Bi持續(xù)流動富集于MnS周圍，直至凝固結(jié)束。
　　3、合金凝固過程中MnS和Bi的柱狀晶/等軸晶形成模式強烈受對流擴散和多相相變影響；對流擴散為正值處，溶質(zhì)的多相質(zhì)量相變速率較大且富集程度較低，流動穩(wěn)定易形成柱狀晶；對流擴散為負值處，溶質(zhì)的多相質(zhì)量相變速率較小且富集程度較高，當(dāng)晶尖處溶質(zhì)富集到一定程度，對流擴散與多相相變產(chǎn)生的紊流使柱狀晶尖端斷裂，成為

6、等軸晶形核中心，此處為等軸晶穩(wěn)定形成區(qū)域。
　　4、采用潤滑滾動磨損實驗測試了Fe-0.03Te-0.3Pb-0.9Mn易切削不銹鋼的表面摩擦磨損特性。比較了不同磨損時間球珠作用下合金表面磨損形貌、體系硬度、摩擦系數(shù)和磨損體積的差異，并對其潤滑滾動磨損機理進行深入了研究。結(jié)果表明：磨損啟動期，合金表面磨損性能相對穩(wěn)定，在MnS和Pb等易切削相交互作用下，合金表面犁削底部開始產(chǎn)生裂紋;磨損穩(wěn)定期，合金表面性能逐漸變化，犁削底部裂紋持