22CrMoH连铸坯微观组织及合金元素影响的数值模拟

齿轮钢是重要的汽车用钢，为了有效提高齿轮钢的强度和韧性，改善其热加工性能，常常加入Cr、Mo、Ni、Ti和Si等合金元素。这类合金元素能够引起钢液固相线、液相线温度的变化，直接影响到钢液凝固过程中晶粒的形核和长大等行为，进而对铸坯凝固组织产生重要影响。铸坯凝固组织形态是决定其内部质量的基础，对产品成分均匀性、淬透性以及带状组织等质量缺陷均具有重要影响。

关于金属凝固过程微观组织的模拟，目前主要研究方法有确定性方法、相场法和随机性方法三种。随机方法又可分为蒙特卡罗（MC）法和元胞自动机（CA）法，Rappaz等把CA模型与有限元方法（FE）耦合起来建立的宏观-微观耦合模型（CAFÉ），成功地预测了从柱状晶到等轴晶的转变，并在试验中得到了验证。北京科技大学白礼国等人利用移动边界法得到22CrMoH连铸坯凝固过程中的温度场，在此基础上采用元胞自动机-有限元（CAFÉ）法对22CrMoH齿轮钢连铸坯的微观组织进行数值模拟，模拟组织与实际样品组织形貌基本一致。模拟结果表明，在22CrMoH钢号规定的范围内，随着Si、Mn、Cr和Mo元素含量提高，22CrMoH钢的液相线温度、固相线温度降低，枝晶尖端生长动力学参数a3减小。随Si和Mn含量增加，等轴晶比例明显增加，晶粒平均尺寸也呈明显下降趋势；Mo含量增加能够明显增加形核数目，晶粒尺寸随之下降；适当减少Cr含量有助于提高等轴晶的比例，但对晶粒数目和尺寸影响较小。