中文翻译-一个铝合金汽车轮毂晶粒优化的数学模型

2006 年 IEEE 的硕士学位机电工程与自动化国际会议6 月 25 日 - 28 日，2006 年，中国洛阳一个铝合金汽车轮毂晶粒优化的数学模型王爱琴 郑州大学物理科学与技术学院 谢景佩 李吉文 王文艳中国 河南 郑州 河南科技大学 Mater.Sci.与工程学院Aiqin_ 中国 河南 洛阳 摘要基于传统的凝固原理，一个崭新的铝晶粒优化合金汽车轮毂的数学模型已经确立。当前晶粒增长所产生的过冷度相当于邻近晶粒晶核所需的过冷度；晶粒之间活动的距离定义为微观结构最后晶粒相对尺寸；在晶粒中，液体负热梯度和潜热接口相比是微不足道的客观量过冷度；物理热参数是固定的。得出数值模式结果的基础上，可以计算过冷度和相对晶粒尺寸的晶粒优化。新的晶粒晶核过冷度大约是 0.51.0K，比传统的铝合金低 0.3-0.5K。数学模式结果用于研究晶粒细化原理，新的晶粒可以用来优化生产汽车铝合金轮毂。关键词：数学模型；晶粒细化；铝合金汽车轮毂；结构上的过冷度；相对粒度 一、引言随着国家工业经济的快速增长，尤其是汽车轻量化的发展，铝制汽车轮毂被广泛应用于汽车1-2。由于机械性能优良，重量轻，外型美观，制造容易，铝合金汽车轮毂已越来越受到汽车行业的关注。目前，铝合金汽车轮毂压铸生产，其机械性能直接影响凝固微观结构和精确的生产。计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM)被应用到铝合金汽车轮毂压铸模具的设计和制造。随着计算机技术的发展，模型的质量得到了改善，产品重量减少。在目前计算机辅助工程（CAE）技术的工作基础上，汽车铝合金轮毂晶粒优化的数学模型已经成立。凝固的微观结构和晶粒细化原理已经研究出来。优异的力学性能、拉伸力（a300Mpa）和伸长值（b10%）已获得。汽车轮毂质量显著提高。格里尔等人建立的铸造晶粒尺寸的预测模型在接种熔化并将其应用于晶粒细化铝钛硼铝合金。伊斯顿提出了一个模型，使用相对晶粒尺寸（RGS）对晶粒尺寸的预测高晶核效力。在本文中，一个晶粒尺寸的预测模型讨论了钛在液/固界面的分配和形成晶核过冷度的结果。二、模型的发展A.在凝固中成核和生长根据经典成核理论，在凝固时异质成核事件需要两个发生条件，一个是新的外来颗粒它可湿润核，并作为有效的核颗粒，另一种是核形成的能量。 “晶核能源之间的竞争取决于从液相变固体时驱动力所需的能量，形成一个新的接口” 。 异构晶核能源的方程基材是如下14。所谓新界面的能量，SF 是熵的融合，T 是下过冷液体温度和上过冷液体之间的润湿角，液相和异质成核基质。与此相应，晶核临界半径是固/液界面距离，T0 的指着熔化金属，L 为潜热。如果只有一个原子核的半径大于临界半径核，R R *，细胞核作为晶核作为晶核存在和生长。从上面的方程可以看出，能源的核和晶核临界半径减少或增加对过冷度或减少异质基质的润湿角过冷度（T）起着重要作用，在凝固时，相应的临界半径过冷命名为晶核，TN 的过冷度，较低的TN，更可形成有效的晶核。溶质元素将与不断增长的再分配谷物和液/固界面推进。为铝钛二元合金，会有一个持续下降在液/固相边界，因为钛浓度更大的分配系数（K0=7.81） 。因此，成分过冷区将提前形成液/固界面。相应的过冷度这个过程被定义为过冷，TC.B 开发的成分过冷区。如前所述，TN 是关键的过冷度，晶核事件可能发生，当 T TN。增加在减少过冷度的结果晶核时间和增加核数增长提前接口。因此，较小的晶粒尺寸可以获得过冷的区域可以根据以下假设计算：1）负温度梯度，在固/液接口由于不受约束的增长是可以忽略不计比较过冷度冷量。2）实际温度梯度为零，G = 0 时，因为溶质扩散层是三个订单比在液体中的热扩散15。3）晶核事件发生时，只要实现晶核所需的过冷度。4）潜热被忽略。根据上述假设，在晶核凝固过程可以简化为图 1。 平衡液相线温度，铊，与实际温度，钽，可以计算出。Tm 是纯金属的凝固点，毫升梯度液相线斜率，C0 是平衡的内容铝钛二元合金钛，氯的内容钛在液相和 k0 是平衡的分区系数：当被认为是一个单一的晶粒增长，其大小有关溶质过冷区浓度（假设在零溶质扩散固相和液相中的溶质的自由扩散16） 。其中 k0 为平衡分配系数，C0 是平衡的铝钛二元合金中的钛含量，CS 钛在斜线的内容，v 是前进在 L/ S 接口速度，DL 是扩散系数溶质在液体和 X 是稳健增长的距离阶段。 （5） ，成分过冷，它是明确的确定由 C0 和 C0 和 V 诉增加，过冷度的增加。根据上述凝固模型，由晶粒生产的成分过冷可诱发核和相邻的晶粒时，TC增长TN。因此，两个晶核之间的距离事件可以被定义为晶粒尺寸。关系体质过冷度，TC，增长之间距离，X， （5）所示。然后被定义为长期 XN 在进一步的晶核发生的 x。长期 XN 是参数有关粮食的距离将增长随后的晶核事件发生前，这决定了粮食的最终大小。为宗旨，确定溶质含量和晶粒尺寸的影响，新名词，相对晶粒尺寸（RGS） ，可以定义为 XN 过冷度，TC ，达到过冷度晶核，TN需要。因此，使用三、应用与探讨A.实验为了探讨晶粒尺寸的差异，两种铝钛合金样品由重熔生产纯铝铝 5Ti 中间合金细化，名为传统的 Al-Ti 合金，重熔电解低钛合金，分别。被熔化合金重量大约 1Kg 石墨粘土坩埚电阻炉。 “融化成石墨模型倒在 993K 左右。样本晶粒尺寸测量被削减一半沿纵轴。钛含量变化从 0.02 到 0.15 重量。测试合金的化学成分分析金属 Scan 2500 可能谱仪。后被打磨，他们在混合酸蚀刻。谷物 BX51 奥林巴斯配备显微镜测定图像采集和分析系统。约 20 件图像测量一个样品。B.探讨图 2 和图 3 显示了宪法的过冷度计算使用（5）和相对晶粒尺寸（RGS 的）（6）计算。 （5） （6）参数计算是从不同的参考（见表 1） 。从图 2 和图 3 可以看出一些信息。它表明的最大过冷度值（P）随着 Ti 含量较高。过冷度（TC）先迅速增大然后趋于慢慢地改变粮食种植。钛更高浓度的更迅速 的 TC 增加。在较高 Ti 含量的情况下，稳定增长的时间较短，相对晶粒尺寸（RGS）是小于低钛内容的情况下，因为一个更大的宪法过冷区获得。随着 Ti 含量较高，差异宪制的过冷和过冷之间晶核（ 的训练班TN ）大于低钛案件。因此，具有较高的钛晶核效力内容可能是更大和更有效的核产生。一个相对轻微的减少，晶粒尺寸预计随着钛含量的增加。图 2 宪法过冷度值（TC ）在不同 Ti 含量TN图 3 计算相对晶粒尺寸（RGS）在不同TN图纯铝的微观结构和电解低钛铝合金合金。答：纯铝 B：0.08钛 ：0.15钛图 5 Al-Ti 合金的微观结构，改进商业主 AL-5TiA：0.08，合金钛，B：0.15钛 图 6 Ti 含量和晶粒尺寸之间的关系电解低钛铝合金图 7 Ti 含量和晶粒尺寸的传统关系铝钛合金它也可以看出，从图 3，当过冷度晶核（TN）很低，Tn0.1K 的，相对的晶 粒规模很小，RGS4010 m，晶核是如此小，这是难以生存。由电解精炼的微观低钛铝合金的 Al-5Ti 合金在图 4，图 5 所示。它可以清楚地看到，粗纯铝柱状晶粒存在，而对 Al-Ti 合金细等轴晶出现。晶粒尺寸减小钛含量的增加，晶粒尺寸电解 Al-Ti 合金是比传统的细类似的钛含量的 Al-Ti合金。结果表明，核过冷度冷电解低钛铝合金（TN =0.5-1K）比传统的铝钛二元合金（TN= 0.8-1.5K）较低。因此，在实际凝固的区别 TC 和 TN 和宪法的过冷度区大于传统的 Al-Ti 合金，因此有分布在前面的接口更有效的核并导致更大的晶核效力。四、结论（1）模型的预测已发展为在 Al-Ti 合金的晶粒尺寸与钛含量小于 0.15 重量。相对晶粒尺寸，RGS 的，可确定考虑成晶核过冷度 TN 和成分过冷 TC 领先的 S/ L 的接口以前核粒。 RGS 的被定义为 xn 和计算。（2）宪法的过冷度 Tc 和相对铝钛合金晶粒尺寸的 RGS 计算。这是结果表明，与 Ti 含