脉冲电流处理铁基合金的凝固组织特性研究

论文摘要

本文研究了脉冲电流对共晶Fe70Cr18Ni12合金和亚共晶FeMnMoC合金(ZGMn13Mo2钢)凝固组织的影响,以及0Cr18Ni7Mn5Mo2钢在高密度间歇直流电作用下的凝固组织特性。并利用ANSYS软件对脉冲电流处理金属熔体的凝固过程进行数值模拟。首先设计并制作一台高频率高能量密度脉冲电流发生装置,使其最高充电电压为50 kV,放电峰值电流为80 kA,并且整机充电时间在15 s以内,有4种放电频率分别为1×105Hz、5×104Hz、2×104Hz、1×104Hz。同时设计并制作了一台与脉冲放电设备配套使用的高温熔化设备,其最高加热温度为1700°C,并且升温速度在30°C/min以上,可实现惰性气体保护,为本研究提供了基础试验条件。通过脉冲电流发生装置及高温熔化设备对高熔点铁基合金施以脉冲电流处理,系统研究了脉冲电流密度、脉冲频率及脉冲电流处理温度对共晶Fe70Cr18Ni12及亚共晶ZGMn13Mo2钢凝固组织的影响。结果发现脉冲电流处理可明显细化共晶Fe70Cr18Ni12及亚共晶ZGMn13Mo2钢的凝固组织,且凝固组织随着脉冲电流密度的增加和脉冲频率的增大而细化,在本试验研究条件下,其最佳细化效果分别使两种合金凝固组织从120μm和240μm细化到0.6μm和8μm。开始放电温度十分重要,温度过高钢液会产生飞溅甚至发生爆炸现象,温度过低则无法获得均匀的凝固组织,开始脉冲放电处理的最佳温度为在钢的凝固点左右。0Cr16Ni22Mo2Ti钢在高能量密度间歇式直流电和压力共同作用下,其凝固组织为面心立方结构的纳米晶。理论计算表明,脉冲电流处理可引起金属熔体温升,但高脉冲频率条件下（1×105 Hz）,其温升值对于ZGMn13Mo2钢仅为几度,对于Fe70Cr18Ni12合金仅为零点几度,可以忽略不计;而在脉冲频率很大时脉冲电流密度的增大对金属熔体的温升影响不大,此时,脉冲电流处理引起的温升对金属熔体凝固结晶形核的负面影响可以忽略不计,因此,从理论上进一步证明高频率高能量密度脉冲电流处理金属熔体可以获得超细晶凝固组织。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 电流对金属材料作用的理论研究
• 1.2.1 电迁移
• 1.2.2 过冷度
• 1.2.3 磁致收缩效应
• 1.2.4 焦耳热效应
• 1.2.5 Peltier 效应
• 1.2.6 脉冲电流作用下无序金属介质的成核理论
• 1.3 电流在金属材料研究中的应用
• 1.3.1 电流对金属凝固组织的影响
• 1.3.2 电流对金属固态相变的影响
• 1.3.3 电流对金属塑性的影响
• 1.3.4 电流用于材料的自修复
• 1.3.5 电流对金属疲劳寿命的影响
• 1.4 外加能量场对金属凝固组织的影响
• 1.4.1 磁场对金属凝固的作用
• 1.4.2 超声波对金属凝固的作用
• 1.4.3 重力对金属凝固的作用
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 试验方法和研究手段
• 2.1 脉冲放电设备
• 2.1.1 脉冲放电设备的重要技术参数
• 2.1.2 设备的安装及实验室布局的设计
• 2.1.3 脉冲放电装置的调试
• 2.1.4 脉冲放电设备的工作原理
• 2.1.5 脉冲放电用电极的选择
• 2.2 高温熔化设备
• 2.2.1 设计要求
• 2.2.2 高温熔化设备的工作原理
• 2.2.3 坩锅材料的选择
• 2.3 脉冲放电处理试验中的几个技术问题
• 2.3.1 高温合金液态氧化
• 2.3.2 炉膛内高温空气击穿
• 2.4 高密度间歇式直流电试验条件
• 2.5 金相组织观察
• 2.6 耐磨性试验
• 2.7 X 射线衍射分析
• 2.8 SEM 和TEM 分析
• 2.9 DSC 分析
• 2.10 ANSYS 模拟
• 2.11 本章小结
• 第3章 OCr16Ni22Mo2Ti 钢和ZGMn13 钢在高密度直流电流作用下的凝固组织
• 3.1 引言
• 3.2 OCR16Ni22Mo2Ti不锈钢凝固组织
• 3.3 ZGMn13 钢凝固组织
• 3.4 本章小结
• 第4章 亚共晶钢在脉冲电流作用下的凝固组织
• 4.1 引言
• 4.2 ZGMn13Mo2 钢的凝固组织
• 4.2.1 脉冲电流密度对ZGMn13Mo2 钢凝固组织的影响
• 4.2.2 脉冲电流频率对ZGMn13Mo2 钢凝固组织的影响
• 4.2.3 开始放电温度对ZGMn13Mo2 钢凝固组织的影响
• 4.3 ZGMn13Mo2 钢耐磨性
• 4.4 本章小结
• 第5章 共晶合金在高密度脉冲电流作用下的凝固组织
• 5.1 引言
• 5.2 脉冲电流对共晶 Fe70Cr18Ni12 合金凝固组织的影响
• 5.3 共晶 Fe70Cr18Ni12 合金的常规力学性能
• 5.4 脉冲电流细化金属凝固组织的机理
• 5.5 本章小结
• 第6章 脉冲电流磁场对金属熔体凝固行为影响的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 模型建立
• 6.2.1 问题的提出和假设
• 6.2.2 电磁场数学模型
• 6.2.3 有限元模型
• 6.2.4 求解过程
• 6.3 数值模拟结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 燕山大学博士学位论文原创性声明
• 燕山大学博士学位论文使用授权书
• 致谢
• 作者简介