CN107607573B - 一种新的合金热裂倾向预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种新的热裂倾向预测方法，具体为一种基于Clyne‑Davies模型的热裂倾向预测方法，其技术思想是：用枝晶干涉点温度Tcoh代替T0.4，裂纹萌生温度Thci代替T0.9。凝固温度Ts代替T0.99。通过将所测的Tcoh和Thci带入热裂预测模型，计算出CSCT值，提出高性能合金体系的热裂危险设计区域，从而优选出高性能低热裂倾向合金体。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的热裂倾向预测方法，应用于测试和评估合金热裂敏感性。
背景技术
目前，许多具有高力学性能的合金体系，由于铸造过程中显示出较高的热裂倾向，因而限制了其更为广泛的应用。在铸造生产过程中，对于薄壁复杂结构合金铸件及大型半连续铸造锭坯而言，热裂已成为了提高其产品质量，降低生产成本和批量生产的瓶颈。目前普遍应用的Clyne-Davies模型预测热裂倾向的方法，主要依据理论计算得到的T0.99（t0.99）、T0.9（t0.9）、T0.4（t0.4）计算合金的热裂敏感性，其假定凝固固相率40%、90%和99%为任何成分，任何冷却速度下合金的枝晶搭接温度、裂纹萌生温度和凝固结束温度，具有“主观性”和“不变性”的缺点。
发明内容
发明目的：本发明提供一种新的热裂倾向预测方法，其目的是解决原有模型预测热裂倾向时，不考虑存在着“枝晶搭接温度”、“裂纹萌生温度”和“凝固结束温度”时的固相率差别，具有“主观性”和“不变性”。新的热裂倾向预测方法中的Tcoh和Thci均通过试验验证，由此预测的热裂敏感性更接近于实际。
技术方案：
一种新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：该方法中使用第一电偶采集熔融合金中心部位的温度数据，第二热电偶采集熔融合金边缘部位的温度数据；在坩埚顶部以及底座各安置一块隔热材料；
设：
△T：枝晶搭接前第一、第二电偶之间的温度差；
Tcoh：枝晶搭接时，边缘部位与中心处形成枝晶桥，边缘部位与中心处温度借助固相桥迅速接近，使得△T迅速下降；△T突然迅速下降时所对应的温度即为枝晶干涉点温度Tcoh；
Thci：裂纹萌生温度；
将Tcoh与Thci代入热裂预测模型，并计算出CSCT值，公式为：
CSCT=（Thci-Ts）/（Tcoh-Thci）；
公式中：Ts为凝固温度；
计算出的CSCT值即为合金热裂倾向系数。
所述的新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：在坩埚顶部以及底座各安置一块压实的厚石棉板用以隔热。
在坩埚四周设置有吹风装置，所述吹风装置的风速可以调节。
所述的新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：所述Thci即裂纹萌生温度测量方法为：在T型模具侧设置热电偶插孔，模具内的合金试样通过载荷传递杆与载荷传感器连接；在合金试样凝固过程中测量载荷与温度，在测试得到的载荷与温度曲线上，随温度下降连续变化的载荷曲线一旦出现松弛，说明合金试样中有热裂纹开始萌生，也即合金凝固进入到了易脆温度区域，这一温度所述的裂纹萌生温度Thci。
附图说明：
图1为合金凝固过程重要参数与阶段；
图2为枝晶干涉温度（Tcoh）双电偶测试系统示意图；
图3为“T”型模具热裂测试系统示意图；
图4为“T”型试样温度及收缩应力随时间变化曲线示意图；
图5为实施例中两种合金的宏观裂纹体积。
附图说明：
1第一电偶；2第二电偶；3 T型模具；4 热电偶插孔；5载荷传递杆；6 载荷传感器。
优点及效果：与Clyne-Davies模型对比，本发明的优势在于很好地解决了原有模型预测热裂敏感性存在的“主观性”和“不变性”，由于不同合金体系、合金成分、凝固冷却速度和晶粒度的Tcoh和Thci对应不同的固相分数，因此具有不同的CSCT值，由此预测的热裂敏感性物理意义更为清晰，也更接近于实际。
具体实施方式：
本发明是一种基于Clyne-Davies模型的热裂倾向预测方法，其技术思想是：用枝晶干涉点温度Tcoh代替T0.4，裂纹萌生温度Thci代替T0.9。凝固温度Ts代替T0.99。通过将所测的Tcoh和Thci带入热裂预测模型，计算出CSCT值，提出高性能合金体系的热裂危险设计区域，从而优选出高性能低热裂倾向合金体系。
将实验测得的凝固温度Ts和裂纹萌生温度Thci带入热裂倾向预测模型，即Thci-Ts，计算出枝晶处于晶间补缩阶段的温度区间（TV）。
将实验测得的裂纹萌生温度Thci和枝晶搭接点温度Tcoh带入热裂倾向预测模型，即Tcoh-Thci，计算出枝晶处于游离阶段的温度区间（TR）。
枝晶处于晶间补缩阶段的温度区间（TV）与枝晶处于游离阶段的温度区间（TR）的比值（CSCT）即合金热裂倾向系数。
本方法的具体技术方案包括：
一种新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：该方法中使用第一电偶采集熔融合金中心部位的温度数据，第二热电偶采集熔融合金边缘部位的温度数据；在坩埚顶部以及底座各安置一块隔热材料；
设：
△T：枝晶搭接前第一、第二电偶之间的温度差；
Tcoh：枝晶搭接时，边缘部位与中心处形成枝晶桥，边缘部位与中心处温度借助固相桥迅速接近，使得△T迅速下降；△T突然迅速下降时所对应的温度即为枝晶干涉点温度Tcoh；
Thci：裂纹萌生温度；
将Tcoh与Thci代入热裂预测模型，并计算出CSCT值，公式为：
CSCT=（Thci-Ts）/（Tcoh-Thci）；
公式中：Ts为凝固温度；
计算出的CSCT值即为合金热裂倾向系数。
所述的新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：在坩埚顶部以及底座各安置厚实的带有凹槽的石棉板用以隔热，使得坩埚轴向温度则较为均匀，并对坩埚周围吹风，通过风速调节坩埚径向温度梯度。
所述的新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：所述Thci即裂纹萌生温度测量方法为：在T型模具侧设置热电偶插孔，模具内的合金试样通过载荷传递杆与载荷传感器连接；在合金试样凝固过程中测量载荷与温度，在测试得到的载荷与温度曲线上，随温度下降连续变化的载荷曲线一旦出现松弛，说明合金试样中有热裂纹开始萌生，也即合金凝固进入到了易脆温度区域，这一温度所述的裂纹萌生温度Thci。
结合附图对本发明做进一步的说明：如图2所示：一支电偶采集熔融合金中心部位的温度数据，另一只热电偶采集熔融合金边缘部位的温度数据。为了防止热量从坩埚纵向散失，在坩埚顶部以及底座各安置一块压实的厚石棉板用以隔热。由于中心处的冷却速度慢，边缘部位的冷却速度快，枝晶搭接前二者之间的温度差（△T）别越来越大。枝晶搭接时，边缘部位与中心处形成了枝晶“桥”，二者温度借助固相“桥”迅速接近，使得△T迅速下降。显然△T突然迅速下降时所对应的温度即为枝晶干涉点温度（Tcoh）。
如图3和图4所示：本发明提出的裂纹萌生温度Thci可采用图3所示的 “T”型模具热裂测试系统测试。图4为“T”型镁合金试样凝固温度及收缩应力随时间变化曲线的示意图，如图4所示，在测试得到的载荷与温度曲线上，随温度下降连续变化的载荷曲线一旦出现松弛，说明合金试样中有热裂纹萌生，也即合金凝固进入到了易脆温度区域，这一温度就是本发明提出的裂纹萌生温度Thci。
将实验测得的凝固温度Ts和裂纹萌生温度Thci带入热裂倾向预测模型，即Thci -Ts，计算出枝晶处于晶间补缩阶段的温度区间（TV）。将实验测得的裂纹萌生温度Thci和枝晶搭接点温度Tcoh带入热裂倾向预测模型，即Tcoh -Thci，计算出枝晶处于游离阶段的温度区间（TR）。枝晶处于晶间补缩阶段的温度区间（TV）与枝晶处于游离阶段的温度区间（TR）的比值（CSCT）即合金热裂倾向系数。
结论，本发明采用枝晶干涉点温度Tcoh代替Clyne-Davies模型中的T0.4，裂纹萌生温度Thci代替Clyne-Davies模型中的T0.9。凝固温度Ts代替Clyne-Davies模型中的T0.99。通过将所测的Tcoh和Thci带入热裂预测模型: CSCT＝（Thci-Ts）/（Tcoh-Thci），计算出CSCT值，发现合金体系的热裂危险区域。本发明突破了原有模型只能预测合金热裂的理论值，不仅对合金成分，而且还对合金体系、凝固冷却速度，晶粒球化、细化等因素都比较敏感，由此预测的热裂敏感性更接近于实际。
实施例
应用该方法预测Mg-6.5Zn-1Y-0.5Zr和Mg-6.5Zn-2Y-0.5Zr两种镁合金热裂倾向。
1.在Mg-6.5Zn-1Y-0.5Zr合金中Tcoh=608.8℃，Thci=411.2℃，Ts=365.7℃。即CSC(T)=（Thci-Ts）/（Tcoh-Thci）=0.23。
2.在Mg-6.5Zn-2Y-0.5Zr合金中Tcoh=617.5℃，Thci=397.4℃，Ts=330.9℃。即CSC(T)=（Thci-Ts）/（Tcoh-Thci）=0.30。
根据该方法可以预测出Mg-6.5Zn-2Y-0.5Zr合金的热裂倾向大于Mg-6.5Zn-2Y-0.5Zr合金。
采用熔融石蜡渗透法来测量两种合金的宏观热裂纹体积，并验证该方法预测是否准确。两种合金的宏观裂纹体积如图5所示。其中Mg-6.5Zn-1Y-0.5Zr合金的宏观裂纹体积为0.1076cm3，Mg-6.5Zn-2Y-0.5Zr合金的宏观裂纹体积为0.1208cm3。合金的宏观裂纹体积越大，合金热裂倾向越大。合金通过实验得出的结论验证了该方法的预测结果，所以说本专利的预测方法是可行的。
Claims (2)
1.一种新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：该方法中使用第一电偶采集熔融合金中心部位的温度数据，第二热电偶采集熔融合金边缘部位的温度数据；在坩埚顶部以及底座各安置一块隔热材料；
设：
△T：枝晶搭接前第一、第二电偶之间的温度差；
Tcoh：枝晶搭接时，边缘部位与中心处形成枝晶桥，边缘部位与中心处温度借助固相桥迅速接近，使得△T迅速下降；△T突然迅速下降时所对应的第一电偶采集到的温度即为枝晶干涉点温度Tcoh；
Thci：裂纹萌生温度；
将Tcoh与Thci代入热裂预测模型，并计算出CSCT值，公式为：
CSCT=（Thci-Ts）/（Tcoh-Thci）；
公式中：Ts为凝固温度；
计算出的CSCT值即为合金热裂倾向系数；
所述Thci即裂纹萌生温度测量方法为：在T型模具侧设置热电偶插孔，模具内的合金试样通过载荷传递杆与载荷传感器连接；在合金试样凝固过程中测量载荷与温度，在测量得到的载荷与温度曲线上，随温度下降连续变化的载荷曲线一旦出现松弛，说明合金试样中有热裂纹萌生，也即合金凝固进入到了易脆温度区域，这一温度为所述的裂纹萌生温度Thci。
2.根据权利要求1所述的新的合金热裂倾向预测方法，其特征在于：在坩埚顶部以及底座各安置厚实的带有凹槽的石棉板；
在坩埚四周设置有吹风装置，所述吹风装置的风速可以调节。
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