Fe-Bi/Pb-Mn系合金作为一种新型易切削不锈钢,广泛应用于笔头材料、精密仪表、汽车零件、机械重要部件等高精密加工领域,尤其是Fe-Bi-Mn合金是一种优良的新型环保易切削材料。Bi/Pb改善不锈钢性能的作用与其在钢中存在形态及在加工过程中的变化有密切的关系,当易切削相Bi/Pb和Mn S等复合夹杂物弥散分布于基体中时,该合金表现出优良的易切削性能。但由于该合金凝固时Bi/Pb相存在液→气→液→固相变过程,而Mn S相只发生液→固相变过程,液相Bi/Pb易富集于钢锭底部而气相Bi/Pb易上浮挥发,使Bi/Pb的收得率很低且在基体中的分布情况比较复杂极易产生偏析现象,严重限制了该合金的应用,为其凝固过程和性能的研究带来极大困难。本文基于Eulerian-Eulerian方法和流体体积技术,建立了三维多相流体动力学凝固模型,并将其与质量、动量、溶质和热焓守恒方程相耦合,对合金的凝固过程进行了数值模拟,取得如下创新性结果:1、分析了分布面积二次梯度(()Pb??S)和浓度二次梯度(()Pb??C)对偏析模式的影响,结果表明:液、气两相的流动相变使偏析模式表现为上端X型下端V型,X偏析由气相相变驱动力和多取向相变作用下的―散射‖形成;t>tc时,随()Pb??S和()Pb??C曲线降低,X偏析的下偏析角增大,上偏析角和V偏析角减小,Pb收得率增大,有利于获得含量稳定弥散的凝固组织。此外,还研究了液、气两相交互流动下通道偏析的形成机理,结果表明:通道偏析仅存在于流动-相变交互作用(llu??c和ggu??c)为负值的区域,该区域的流动扰动抑制合金的局部凝固,促进偏析通道生长;流动-相变交互作用负值越小,偏析通道持续增长越稳定。2、易切削相的析出过程受多相相变-扩散作用影响,ls,Mn SM的值较大,Mn S的分配系数大而扩散系数小,当*s,Mn Sc的值大于l,Mn Sc的值时,液相Mn S在固-液界面处浓度降低,最终被固相完全―捕获‖,导致Mn S不再富集;ls,BiM的值较小且gl,BiM为负值,Bi的分配系数小而扩散系数大,凝固过程中存在气相Bi且l,Bic的值始终大于*s,Bic的值,故Bi持续流动富集于Mn S周围,直至凝固结束。3、合金凝固过程中Mn S和Bi的柱状晶/等轴晶形成模式强烈受对流扩散和多相相变影响;对流扩散为正值处,溶质的多相质量相变速率较大且富集程度较低,流动稳定易形成柱状晶;对流扩散为负值处,溶质的多相质量相变速率较小且富集程度较高,当晶尖处溶质富集到一定程度,对流扩散与多相相变产生的紊流使柱状晶尖端断裂,成为等轴晶形核中心,此处为等轴晶稳定形成区域。4、采用润滑滚动磨损实验测试了Fe-0.03Te-0.3Pb-0.9Mn易切削不锈钢的表面摩擦磨损特性。比较了不同磨损时间球珠作用下合金表面磨损形貌、体系硬度、摩擦系数和磨损体积的差异,并对其润滑滚动磨损机理进行深入了研究。结果表明:磨损启动期,合金表面磨损性能相对稳定,在Mn S和Pb等易切削相交互作用下,合金表面犁削底部开始产生裂纹;磨损稳定期,合金表面性能逐渐变化,犁削底部裂纹持续生长,交织的裂纹开始产生片状或块状凸起物;磨损失效期,合金表面润滑膜和剥落物大量脱落,剥落物形成磨料磨损,犁削逐渐贯通消失,合金表面体系相结构快速瓦解。