過冷合金熔體非平衡凝固模型的擴(kuò)展及應(yīng)用.pdf

1、隨著凝固技術(shù)的發(fā)展,過冷合金熔體的非平衡凝固獲得了廣泛關(guān)注。材料的微觀組織決定著材料的力學(xué)和物理性能。為了有效控制凝固過程從而獲得具有理想微觀組織的材料,建立預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確、更加接近實際以及應(yīng)用范圍更加廣泛的凝固模型具有十分重要的意義。
　　 作為一個系列研究,本文建立了基于明銳界面的平界面響應(yīng)函數(shù)、形貌穩(wěn)定性模型和自由枝晶生長模型,以及基于擴(kuò)散界面的溶質(zhì)截留模型、平界面凝固模型和等溫枝晶凝固的溶質(zhì)場分布。在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行

2、延伸,這些模型都考慮了液相中非平衡溶質(zhì)擴(kuò)散的弛豫效應(yīng),都適用于非稀釋合金,都采用了相圖計算中所優(yōu)化的固液相的吉布斯自由能函數(shù),因而更具普適性。
　　 將明銳界面平界面響應(yīng)函數(shù)以及擴(kuò)散界面的溶質(zhì)截留模型和平界面凝固模型應(yīng)用到 Si-9at.％As合金,將形貌穩(wěn)定性模型應(yīng)用到 Si-Sn體系,以及將自由枝晶生長模型應(yīng)用于 Cu70Ni30合金,模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致。
　　 本文模型與現(xiàn)有典型模型的比較分析表明:界面處或

3、液相中局域平衡溶質(zhì)擴(kuò)散假設(shè)、線性固相線和液相線假設(shè)、Baker-Cahn關(guān)系和稀釋合金假設(shè)都在一定程度上限制了模型的應(yīng)用范圍,并可以導(dǎo)致模型預(yù)測與實際情況的明顯偏差。此外,對于稀釋合金本文的模型同樣更加準(zhǔn)確和完善。
　　 凝固過程中是否應(yīng)該考慮溶質(zhì)拖拽效應(yīng)仍然存在爭議。本文模型引入了一個可調(diào)參數(shù)來統(tǒng)一溶質(zhì)拖拽和非溶質(zhì)拖拽兩種形式,并可以考慮所謂的部分溶質(zhì)拖拽效應(yīng)。利用本文的平界面凝固模型和Aziz等人的連續(xù)生長模型(CGM)進(jìn)行

4、數(shù)值計算并與現(xiàn)有實驗結(jié)果進(jìn)行比較分析,結(jié)果表明:兩個模型的非溶質(zhì)拖拽版本都不能描述實驗結(jié)果；相比之下,本文的溶質(zhì)拖拽模型(擴(kuò)展的Hillert-Sundman模型)對實驗數(shù)據(jù)給出了較好的理論描述。此外,考慮了部分溶質(zhì)拖拽的 CGM也與實驗結(jié)果具有較好的一致性。進(jìn)一步的模型比較表明:部分溶質(zhì)拖拽的CGM實際上可以被看做為考慮了溶質(zhì)拖拽的Hillert-Sundman模型在明銳界面假設(shè)下的簡化版本。綜合這些結(jié)果并結(jié)合本文基于明銳界面模型的相