超声处理时间对钢凝固组织影响的数值模拟

　　0 前言

　　金属材料在材料中占主导地位,对国民经济的发展起着重要作用。传统金属材料经历了漫长的发展,在强化理论、评估与表征、应用与再生等方面己形成了较完整的理论与工程体系。近年来,生态环境材料的提出,将环境意识引入材料科学中。材料工作者从生态环境的角度重新考虑现有材料的发展道路,在现有理论与体系的基础上对材料的强化、评价与再生等方面进行了新的思考。外加物理场处理技术是在金属凝固前或凝固过程中对金属熔体施加物理场,利用金属与物理场的相互作用,改善其凝固组织。该技术具有环境友好、操作简便等优点。目前该领域的研究热点主要集中在3个方面:对金属熔体进行超声波处理;让金属熔体在磁场中凝固,即磁场处理;让电流通过金属熔体,即电流处理。本文主要研究功率超声处理。

　　功率超声对金属凝固过程影响的研究开始于20世纪30年代,国内外学者做了大量研究,结果表明,合金钢铸造过程中施加超声波使合金组织明显细化,力学性能大大提高。该技术具有成本低、工艺性好、简单易行等优点。超声波在液体中传播时液体分子受到周期性交变声场的作用,产生声空化、声流效应及力学机制,引起熔体中流动场、压力场和温度场的变化,从而产生一些特殊的效果。空化泡的崩溃可以导致过冷液体中固体的形核,提高液相形核率[1]。目前功率超声在国内外已经应用于金属铸造过程中[2]。

　　1 模型假设

　　凝固晶粒大小与过冷度成反比,通过建立能量平衡方程,利用凝固晶粒尺寸d=β(T-T0)-n这个式子,推导出输入功率以及处理时间的改变分别对普碳钢凝固微观组织的影响。

　　在本文中主要考虑两个效应[3],一是声空化效应,用Q空化=d(-IitA)表示;二是热效应,用Q热=mCpdT表示,这是由于超声波在媒质中传播时,其振动能量不断被媒质吸收转变为热量而使媒质温度升高。另外热损失,钢液与环境之间的热交换,以导热的形式计算,用Q损失=hs#d[t(T-T0)]表示。忽略化学热效应,且空化速度恒定均匀。

　　将熔体原子看作是刚性小球,做无阻尼运动,忽略原子之间的内摩擦热,且温度梯度均匀(即忽略超声波处理钢液时会产生驻波的影响),假设T为经超声波处理后熔体的温度;T0为未经超声波处理熔体的温度,其值与坩埚外的炉膛内的温度相等,即此时坩埚内与坩埚外已达到能量平衡。由于处理温度保持不变,所以过热度是一样的。

　　其中:

　　ΔT1,ΔT2分别为未经超声处理时的过冷度和超声处理时的过冷度。

　　2 建立数学模型与分析